光弾性測定方法およびその装置
【課題】複数層からなる透過性を有する測定対象物から、所定層に作用している主応力の差とその方向を高速かつ精度よく求めることのできる光弾性測定方法およびこれを用いた装置を提供する。
【解決手段】異なる偏光角の光を測定対象物Ｗに向けて照射する複数台の光学ヘッド４Ａ−４Ｃを備えた光学ユニット５と測定対象物Ｗを相対的に水平移動させ、測定対象物Ｗの所定層の同一焦点から反射して戻る反射光を各光学ヘッド４Ａ−４Ｃで検出する。このとき光学ヘッド内のＧＬＰに反射光を透過させ、測定対象物Ｗを構成するガラス基板Ｗ１，Ｗ２に作用している応力によって偏光状態が複屈折により変化した第２偏光と初期の光路に戻る第１偏光に分離し、第２偏光をピンホールに通過させて所定の焦点面から反射して戻る第２偏光のみを検出する。各光学ヘッド４Ａ−4Ｃによる測定結果に基づいて、所定のガラス基板に作用している主応力の差とその方向を求める。
【解決手段】異なる偏光角の光を測定対象物Ｗに向けて照射する複数台の光学ヘッド４Ａ−４Ｃを備えた光学ユニット５と測定対象物Ｗを相対的に水平移動させ、測定対象物Ｗの所定層の同一焦点から反射して戻る反射光を各光学ヘッド４Ａ−４Ｃで検出する。このとき光学ヘッド内のＧＬＰに反射光を透過させ、測定対象物Ｗを構成するガラス基板Ｗ１，Ｗ２に作用している応力によって偏光状態が複屈折により変化した第２偏光と初期の光路に戻る第１偏光に分離し、第２偏光をピンホールに通過させて所定の焦点面から反射して戻る第２偏光のみを検出する。各光学ヘッド４Ａ−4Ｃによる測定結果に基づいて、所定のガラス基板に作用している主応力の差とその方向を求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶パネルやプラズマディスプレイパネルなどのような透過性を有する測定対象物に作用する応力や歪みなどを測定するための光弾性測定方法およびその装置に係り、特に、微小間隙をおいて配備された２枚の貼り合せ基板のそれぞれの基板に作用している応力を高速かつ精度よく測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス基板のような透過性を有する測定対象物に作用している応力を求める方法として、次のような方法が知られている。第１の方法として、平坦なテーブルに平面保持された測定対象物に光を照射し、測定対象物の表面および裏面から反射して戻る反射光を測定する。このとき、その反射光の変化から測定対象物に作用している主応力の差とその方向を求めている。また、第２の方法として、測定対象物に向けて照射した光のうち、測定対象物を透過した透過光の変化から測定対象物に作用している主応力の差とその方向を求めている（非特許文献１参照）。
【０００３】
また、共焦点方式で、かつ反射方式の光学系が提案されている（非特許文献２）。
【０００４】
【非特許文献１】最新 応力・ひずみ測定・評価技術（第４９頁−第６６頁） 監修：河田幸三 発行：株式会社 総合技術センター
【非特許文献２】２００３年度博士論文 反射型レーザ光弾性実験装置の開発と皮膜の応力評価への応用 東京電機大学大学院研究科・機械システム工学専攻博士課程 島 靖郁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の各方法では次のような問題がある。
【０００６】
第１および第２の方法のいずれも１枚の透過性を有する測定対象物である基板に対しては、有効に機能する。しかしながら、光学特性、特に屈折率の異なる光学特性を有する複数の素材が積層された基板を、微小間隙をおいて配備した２枚の貼り合せ基板について主応力の差とその方向を測定する場合、２枚の基板のいずれの基板に、または両方の基板に作用する主応力の差とその方向を精度よく求めることができないといった問題がある。
【０００７】
すなわち、上記貼り合せ基板について、２枚の基板のいずれの基板、または両方の基板に作用する主応力の差とその方向を測定するために第１の方法を適用した場合、貼り合せ基板から反射して戻る反射光は、各基板の表面および裏面から戻るものが全て合成される。そのため、主応力の差とその方向を知るのに必要なそれぞれの基板の裏面からの反射光のみを取得したくても、個々に容易に分離することができない。
【０００８】
また、第２の方法を適用した場合、貼り合せ基板を透過した透過光は、全てが合成され、基板ごとに透過した透過光を個々に分離することができない。
【０００９】
また、非特許文献２の方法では、測定に中心的な役割を担った素子として非偏光ビームスプリッタを使わざるを得ない。その事が光弾性信号（複屈折）の消光比を著しく劣化させており、微少な複屈折を検出できないといった問題点がある。
【００１０】
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、光学特性として屈折率の異なる複数の素材が積層された基板、特に微小間隙をおいて積層された貼り合せ基板について、応力の作用している基板を正確に分別するとともに、その基板に作用する主応力の差、主応力の差の作用する方向を高速かつ精度よく求めることのできる光弾性測定方法およびその装置を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そこでこの発明は、上記目的を達成するために次のような構成をとる。
【００１２】
すなわち、第１の発明は、複数層からなる透過性を有する測定対象物の各層に作用する主応力の差、主応力の差の作用する方向、およびオフセット値の少なくとも主応力の差、主応力の差の作用する方向を測定する光弾性測定方法であって、
照射手段からの照射光を光学手段を介して直線偏光にし、
レンズを介して前記測定対象物に直線偏光を照射しながら、レンズと測定対象物を光軸方向に沿って相対的に前後移動させて層同士が接触する複数の接触界面のうち所定の接触界面に焦点を合せ、
前記測定対象物から反射して戻る反射光を光学手段に透過させて初期の光路を戻る第１偏光と、当該第１偏光と直交する第２偏光を別光路に分離して出力し、
分離された前記第２偏光のうち焦点面から反射して戻る偏光のみをピンホールに通過させて検出する光学ヘッドを少なくとも３台備え、
前記各光学ヘッドから測定対象物に照射される直線偏光が、それぞれ異なる入射角となるように整列配備した状態で、当該光学ヘッドと測定対象物を相対的に平行移動させつつ、各光学ヘッドから照射されて所定層の同一の接触界面から反射して戻る偏光を当該光学ヘッドごとに検出し、
検出された前記各偏光の少なくとも3つの異なる角度θでの光強度の変化量に基づいて、主応力の差φ、主応力差の作用する方向α、および、オフセット値Ｃをφsin(2(α−θ))＋Ｃからなるモデル式から求める、
ことを特徴とする。
【００１３】
（作用・効果） この光弾性測定方法によれば、直線偏光が測定対象物に照射されると、焦点を合せた接触界面（焦点面）から反射して戻る反射光と、それ以外の界面などから反射して戻る反射光とが合わさって光学手段に戻される。この反射光は、光学手段によって初期の光路に戻る第１偏光と、第１偏光とは個別光路に出力される第１偏光と直交する第２偏光とに分離される。そして光学手段から出力される第２偏光は、ピンホールを通過するときに所定の接触界面の焦点面から反射して戻る偏光のみが抽出される。換言すれば、所定層のみを透過して戻る偏光のみが抽出され、この第２偏光の光強度が層ごとに1台の光学ヘッドによって検出される。
【００１４】
少なくとも残り２台の光学ヘッドと測定対象物を水平方向に相対的に移動させ、上述の光学ヘッドと同一箇所に対して同様の処理が行われる。ただし、光学ヘッドは、個々に異なる偏光角の直線偏光を測定対象物に照射する。そして、各光学ヘッドによって検出された第２偏光の光強度の変化量を取得する。取得した複数個の光強度の変化量とその偏光の回転角度の位置情報と主応力の差φの小さい場合のφsin(2(α−θ))＋Ｃからなるモデル式を用いることにより、測定対象物の各層に作用している主応力の差φ、主応力の差の作用する方向α、およびオフセット値の少なくとも主応力の差、主応力の差の作用する方向を求めることができる。
【００１５】
すなわち、光学ヘッドごとに抽出された第２偏光の光強度から測定対象物の所定層で複屈折により変化を受けた偏光の変化情報が取得される。このとき主応力の差は、直線偏光の回転角度ごとの位置情報と光強度の変化から導き出される上記ｓｉｎモデルのカーブの振幅が最大となる量として、その方向は、オフセット値Ｃと交差する角度として求めることができる。
【００１６】
また、複数台の光学ヘッドと測定対象物を水平移動させながら同一箇所の同一焦点からの反射光をリニアに検出することができる。換言すれば、単一の光学ヘッドを光軸周りの所定角度に設定し直してから同一焦点からの反射光を測定するする必要がないので、高速な測定が可能となる。
【００１７】
第２の発明は、第１の発明において、前記分離過程で分離されて初期の光路を戻る第１偏光のうち前記焦点面から反射して戻る偏光のみをピンホールに通過させて検出する反射光検出過程を備え、
前記演算過程は、さらに予め求めた前記照射手段からの反射光の光強度に対する前記偏光検出過程で検出された偏光および前記反射光検出過程で検出された偏光の両光強度の変化量を求め、この変化量に応じて実測により求まる第２偏光から検出した偏光の光強度を補正することを特徴とする。
【００１８】
（作用・効果） この方法によれば、光学手段で分離された第１偏光のうち焦点面で反射して戻る偏光のみが抽出される。したがって、第１偏光と第２偏光から抽出した両偏光の光強度から測定対象物を透過する過程で偏光が応力により受けた変化量が分かる。また、この変化量を補正する補正量を求めて補正処理をすることができる。また、測定対象物の照射側を第１層の第１面と定義し、この順で番号付けすると、第１層の第１面からの反射光の光強度の変化量は、複屈折の変化量を含まない。したがって、この第１面から反射する反射光の光強度を利用して光量で実測により求まる第２偏光を補正でき、測定精度を上げられる。
【００１９】
第３の発明は、第１または第２の発明において、前記照射手段は、単一の光源からなり、当該照射手段からの照射光を光学ヘッドに均等に分光することを特徴とする。
【００２０】
（作用・効果） この方法によれば、装置構成の小型化が可能となる。
【００２１】
第４の発明は、第１ないし第３の発明のいずれかにおいて、前記測定対象物の表面高さを検出し、
当該検出結果と予め決めた基準値とを比較し、求まる偏差に応じて前記光学ヘッドの高さを調整することを特徴とする。
【００２２】
（作用・効果） この方法によれば、測定対象物の所定方向に連続的、または、全面にわたって主応力の差などを測定するのに有効に機能する。すなわち、測定対象物が傾斜していたり、反りやあおりが生じていたりする場合であっても、焦点位置を一定維持することができるので、２次元平面状に分布する所定層に作用する主応力の差を連続的に制度よく測定することができる。
【００２３】
また、この発明は、上記目的を達成するために次のような構成をとる。
【００２４】
すなわち、第５の発明は、複数層からなる透過性を有する測定対象物の各層に作用する主応力の差、主応力の差の方向、およびオフセット値の少なくとも主応力の差、主応力の差の作用する方向を測定する光弾性測定装置であって、
前記測定対象物に向けて光を照射する照射手段と、
前記照射手段からの光を透過させて直交する２方向の偏光成分からなる直線偏光にする第１光学手段と、
前記直線偏光を透過させて前記測定対象物の所定層の界面に焦点を合せるレンズと、
前記測定対象物の焦点面から反射して戻る偏光のうち初期の光路を戻る第１偏光と、この第１偏光と直交する第２偏光を別光路に分離して出力する分離手段と、
分離された前記第２偏光のうち前記焦点面から反射して戻る偏光のみを通過させるピンホールの形成された部材と、
前記ピンホールを通過した第２偏光の光強度を検出する第１検出手段とを備えた光学ヘッドと、
少なくとも３台の前記光学ヘッドを備え、当該各光学ヘッドから測定対象物に照射される直線偏光が、それぞれ異なる入射角となるように整列配備された光学ユニットと、
前記測定対象物を保持する保持手段と、
前記光学ヘッドのレンズと保持手段を偏光の光軸方向に沿って相対的に前後に移動させる前後移動手段と、
前記保持手段と光学ユニットを相対的に平行移動させる平行移動手段と、
前記光学ユニットと測定対象物を相対的に平行移動させつつ、各光学ヘッドから照射されて所定層の同一箇所から反射して戻る偏光を各光学ヘッドの第１検出手段ごとに検出し、当該各偏光の光強度の変化量と検出角度の位置情報に基づいて、主応力の差φ、主応力の差の方向α、および、オフセット値Ｃをφsin(2(α−θ))＋Ｃからなるモデル式により求める演算手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００２５】
（作用・効果） この光弾性測定装置によれば、保持手段に保持された測定対象物に向けて照射手段から照射された光が、光学手段によって直線偏光にされる。この偏光を照射しながら前後移動機構によって保持手段と測定対象物とが光軸方向に沿って前後に移動させられることにより、所定の界面に焦点が合わされる。その焦点面および他の界面などで偏光が反射して第１光学手段に戻され、各層を透過するときに複屈折による変化量の作用していない偏光が、第１偏光として初期光路に戻される。複屈折による変化量の作用して生じた反射光は、第２偏光として光学手段によって第１偏光とは別光路に出力される。
【００２６】
第１光学手段から出力された第２偏光がピンホールを通過するときに、焦点の合わされた所定の界面から反射して戻る偏光のみが抽出され、この偏光が第１検出手段により検出される。同様に光学ユニットに備わった少なくとも残りの２台の光学ヘッドにおいても同じ処理を行う。ただし、各光学ヘッドから測定対処物に照射される直線偏光の偏光角がそれぞれ異なる。そして、各光学ヘッドから検出された第２偏光の光強度の変化量を取得する。
【００２７】
演算手段は、光学ヘッドごとに取得した光強度の変化量と第２偏光の回転角度θの情報と主応力の差φの小さい場合のモデル式φsin(2(α−θ))＋Ｃとを利用して、測定対象物の各層に作用している主応力の差、主応力の差の方向を求める。したがって、第１の方法発明を好適に実現することができる。
【００２８】
第６の発明は、第５の発明において、分離手段で分離された第１偏光のうち焦点面から反射して戻る偏光のみを通過させるピンホールの形成された部材と、ピンホールを通過した偏光の光強度検出する第２検出手段とを備え、演算手段は、第１検出手段により検出された偏光の光強度を用いて第２検出手段により検出された偏光の光強度を除算するように構成することを特徴とする。
【００２９】
（作用・効果） この構成によれば、第１および第２偏光から応力により受けた変化量が分かるとともに、この変化量を補正する補正量を求めることができる。また、第１層の第1面からの反射光の光強度の変化量は、複屈折の変化量を含まない測定対象物の第１面から反射する光量で補正でき、測定精度を上げられる。すなわち、第２の方法発明を好適に実現することができる。
【００３０】
第７の発明は、第５または６の発明において、前記測定対象物からの反射光を入力させ、その光強度を予め決めた周波数に変調する光弾性変調器と、
変調されてピンホールを通過した第２偏光を入力させて予め決められた前記周波数成分の実測情報を抽出するロックインアンプとを備え、
前記演算手段は、前記測定対象物と同じ試料を用いて当該試料に圧縮および引っ張り応力を作用させたときの各主応力の差を直線偏光の向きを変数とする正弦波として予め基準情報を取得しておき、当該基準情報と実測情報とを比較し、測定対象物に作用している主応力の差の状態を特定することを特徴する。
【００３１】
（作用・効果） この構成によれば、所定の周波数の変調に微少な複屈折を持った光弾性変調器（例えば、複屈折の大きさとして、0.001rad以下）を利用して第２偏光にかけるとともに、当該第２偏光をロックインアンプに入力させることにより、光弾性変調器の複屈折の大きさの2乗成分が無視でき、変調周波数と同じ成分のみの試料の複屈折と光弾性変調器の複屈折の積が直線偏光の回転角度を変数とする正弦波として抽出できる。したがって、予め同一試料で求めた圧縮および引っ張りの基準情報と、実測により求まる実測情報から得られたモデルの形状とを比較することにより、測定対象物に作用している主応力の差が圧縮であるか、それとも引っ張りであるかを容易に特定することができる。
【００３２】
第８の発明は、第５ないし第７の発明のいずれかにおいて、前記分離手段で分離された第１偏光をピンホールに向う偏光と他の方向に向う偏光に分離する第１偏光分離手段と、前記第１偏光分離手段で他の方向に分離された偏光を検出する複数個の受光素子を２次元アレー状に配備して構成した検出手段と、
前記保持手段を傾斜させる駆動手段と、前記検出手段によって検出された偏光の位置に応じて保持手段に保持された測定対象物の傾斜量が前記演算手段により求められ、この傾斜量にしたがって前記駆動手段を作動させて前記保持手段の平行度を維持させる駆動制御手段とを備えることを特徴とする。
【００３３】
（作用・効果） この構成によれば、保持手段に保持された測定対象物の平行度が維持されるので、測定対象物で反射して戻る第１偏光が、初期の直線偏光と光路と重なり合う。すなわち、光路ズレなく、焦点面から反射して戻る第１および第２偏光を各ピンホールに確実に通過させることができ、測定対象の偏光を精度よく検出することができる。
【００３４】
第１０の発明は、第５ないし第９の発明のいずれかにおいて、前記測定対象物の表面高さを検出する高さ検出手段と、
前記演算手段により表面高さの検出結果と予め決めた基準値を比較し、求まる偏差に応じて前記光学ヘッドの高さを調整するよう前後移動手段の作動を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００３５】
（作用・効果） この構成によれば、測定対象物の保持状態に関わらず焦点位置を一定に維持することが可能となる。すなわち、第４の方法発明を好適に実施することができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明に係る光弾性測定方法およびその装置によると、複数台の光学ヘッドと測定対象物を相対的に水平移動させながら、各光学ヘッドから異なる偏光角の直線偏光を測定対象物に照射し、焦点を合せた所定の同一層から反射して戻る反射光のうち偏光状態の変化した偏光成分のみを抽出し、この偏光成分の光強度の変化量と予め決めたモデル式を利用することにより、任意の層に作用している応力の影響で生じる複屈折の変化量をリニアに抽出することができる。この複屈折の変化量から任意の層に作用している主応力の差およびその方向を高速かつ精度よく求めることができる。なお、検出する偏光の光強度の変化状態から応力の作用している層も分別することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。なお、本実施例では、液晶パネルやプラズマディスプレイのように２枚の透過性を有するガラス基板を、微小間隔をおいて重ね合わせた測定対象物の各層に作用している主応力の差とその方向、およびオフセット値を求める構成について説明する。
【００３８】
図１は本発明の光弾性測定方法を利用した実施例装置の概略構成を示す斜視図であり、図２は光学ユニット内および光学ヘッドの構成を示すブロック図である。
【００３９】
この実施例装置は、図１および図２に示すように、単一の光源１と、光源１からの光を分離または全反射して３台の光学ヘッド４（４Ａ−４Ｃ）のそれぞれに略均等な強度の光りを向かわせる３枚のミラー２（２Ａ−２Ｃ）と、分離された各光を直線偏光にする直線偏光板３と、各直線偏光を測定対象物Ｗ（Ｗ１，Ｗ２）に向けて出力する３台の光学ヘッド４Ａ、４Ｂ、４Ｃを備えた光学ユニット５と、測定対象物Ｗを載置保持する載置台６とから構成されている。なお、直線偏光板３は、本発明の第１光学手段に、載置台６は保持手段にそれぞれ相当する。
【００４０】
光源１は、半導体レーザや白色ＬＥＤ（Light emitting diode）などのランダム偏光のものが利用される。なお、光源１は、本発明の照射手段に相当する。
【００４１】
ミラー２は、光源１から出力される光の光路上に３枚の異なる特性のものが配備されている。光路の最上流に配備された第１ミラー２Ａは、光源１から出力された光のうち１／３を反射して第１光学ヘッド４Ａに向かわせ、残りの２／３を透過させる半透過型のミラーである。第１ミラー２Ａの下流側に配備された第２ミラー２Ｂは、第１ミラー２Ａを透過した光のうち１／２を反射して第２光学ヘッド４Ｂに向かわせ、残り１／２を透過させる半透過型のミラーである。最下流に配備された第３ミラー２Ｃは、第２ミラー２Ｂからの光を全反射して第３光学ヘッド４Ｃに向かわせる反射ミラーである。
【００４２】
各光学ヘッド４Ａ−４Ｃは、各ミラー２Ａ−２Ｃからの光を透過させて測定対象物Wに向かわせるものであって、その光路の上流から順番に第１偏光検出部７、ファラデーローテータ８、直線偏光板９、λ／２波長板１０、λ／４波長板１１、回転ユニット１２、対物レンズ１３を備えて前後に移動する可動台１４、および第２偏光検出部１５とから構成されている。以下、これら各構成について詳述する。なお、可動台１４は、本発明の前後移動手段に相当する。
【００４３】
第１偏光検出部７は、図２に示すように、第１非偏光ビームスプリッタ１６、第２非偏光ビームスプリッタ１７、レンズ１８、ピンホール１９の形成された板状物２０、および第２フォトダイオード２１から構成されている。なお、第１偏光検出部７は、本発明の第２検出手段に相当する。
【００４４】
この構成のうち、光源１からの光が直接に入射する第１非偏光ビームスプリッタ１６は、無極性のものである。つまり、光源１からの光を直進方向と直交方向に２分する。一方の光は測定系の外（図１中の一点鎖線の矢印で示す右方向）に出る。また、この実施例では、測定対象物Ｗから反射して戻る反射光を２分し、一方を第１偏光検出部７の第２フォトダイオード２１に向かわせる。他方は、光源１側に戻る。
【００４５】
つまり、第１非偏光ビームスプリッタ１６は、測定対象物Ｗから反射した光を直角方向に分岐して第１偏光検出部７の第２フォトダイオード２１に向かわせる。測定対象物Ｗを構成する各ガラス基板Ｗ１，Ｗ２の各表面および各裏面で反射して初期の直線偏光と同一光路に戻る直線偏光（以下、適宜「第１偏光Ａ」という）のうち、偏光面が初期の偏光状態と同じ偏光成分が第１非偏光ビームスプリッタ１６に戻される。
【００４６】
ファラデーローテータ８は、第１偏光ビームスプリッタ１６からの水平偏光を透過させて４５°回転させる。この偏光を直線偏光板９に向せる。また、ファラデーローテータ８は、測定対象物Ｗから反射して戻る反射光についても透過させて４５°回転させ、この光学系では垂直偏光成分のみに変換する。その結果、反射光の全光量が、第１偏光ビームスプリッタ１６を直進透過せず、初期光と直交する第２フォトダイオード２１に向かうようになる。
【００４７】
直線偏光板９は、往復透過する初期光と反射光を直線偏光にする。
【００４８】
λ／２波長板１０は、直線偏光板９から入射する４５°の直線偏光を透過させ、さらに４５°戻し、元の水平成分である直線偏光に戻してλ／４波長板１１に向かわせる。なお、測定対象物Wから戻る反射光についても透過させることにより４５°戻し、このλ／２波長板１０および下流側のλ／４波長板１１との協働により偏光方向を９０°回転させ第１偏光ビームスプリッタ１６への反射光を垂直成分のみにする。
【００４９】
λ／４波長板１１は、λ／２波長板１０から到達する直線偏光を透過させ、さらに４５°傾かせ、円偏光にする。また、測定対象物Ｗから反射し、回転ユニット１２に備わったグランレーザープリズム（以下、単に「ＧＬＰ」という）２３で分離されて同ユニット内の上流側のλ／４波長板２２を透過して戻る第１円偏光Ａを４５°回転させて円偏光から直線偏光に戻す。つまり、測定対象物Ｗのガラス基板Ｗ１やＷ２に応力が作用している場合、光弾性により偏光の位相が変化し、この変化の生じた楕円偏光を通過させて、複屈折の変化量を含む直線偏光に変換する。
【００５０】
回転ユニット１２は、光源１側から順にλ／４波長板２２、ＧＬＰ２３、および光弾性変調器２４から構成されており、回転駆動機構２５により光軸周りに回転するように構成されている。なお、回転駆動機構２５は、本発明の回転手段に相当する。
【００５１】
λ／４波長板２２は、光源１側からの入射光と下流側のＧＬＰ２３で分離出力される２つの直線偏光のうち初期光路光路を戻る偏光を透過させる。つまり、上流側からの円偏光を透過させ、さらに４５°回転させて直線偏光に戻す。また、測定対象物Ｗからの反射光である楕円偏光をその内部に通過させることにより、その垂直成分をさらに４５°傾け、円偏光にする。
【００５２】
ＧＬＰ２３は、光源１側から到達した直線偏光を全透過させて下流側の光弾性変調器２４に向かわせる。また、ＧＬＰ２３は、測定対象物Ｗから反射して戻る偏光を透過させたとき、入射時と同じ偏光面を有する直線偏光（垂直成分である第１偏光Ａ）を初期光路に戻し、測定対象物Ｗを透過する過程で測定対象物Ｗに作用している応力の影響を受けて偏光状態が変化した成分（水平成分の第２偏光B）のみを抽出し、第１偏光Ａとは異なる方向、つまり側面側から出力する。なお、ＧＬＰ２３は、本発明の分離手段に相当する。
【００５３】
光弾性変調器２４は、測定対象物Ｗに向う直線偏光を楕円偏光にする。また、測定対象物Ｗから反射し、測定対象物Ｗに作用している応力の影響で楕円偏光の向きが、光軸回りに微少に回転した楕円偏光をそのまま全透過させる。
【００５４】
したがって、測定対象物Ｗに作用している応力の影響を受けた第２偏光Ｂの光強度の検出信号Ｉｓは、初期光の光強度の信号に比べて微小である。このような場合、外乱の影響で発生するノイズ成分が加わり第２偏光Ｂの検出信号Ｉｓを精度よく求めることができない。そこで、光弾性変調器２４を用いて試料の複屈折量を変調し、その第２偏光Ｂの検出信号Ｉｓをロックインアンプ３７に入力させることにより、第２偏光Ｂの検出信号Ｉｓの検出精度を向上させることができる。
【００５５】
対物レンズ１３は、可動台１４に装着されている。すなわち、可動台１４の前後移動に連動して光学系ユニット５から測定対象物Ｗに向かわせる楕円偏光の焦点位置を変位可能に構成されている。
【００５６】
載置台６は、図１に示すように、載置保持した測定対象物Ｗを図中Ｘ、Ｙ方向に水平移動できるよう構成されている。すなわち、載置台６は、測定対象物Ｗを平面保持し、モータなどの駆動機構を介してガイドレール２６に沿って水平移動するＹ軸移動テーブル２７と、同じくモータなどの駆動機構を介してガイドレール２８に沿ってＸ軸方向に水平移動するＸ軸移動テーブル２９とから構成されている。なお、Ｙ軸移動テーブル２７およびＸ軸移動テーブル２９は、本発明の平行移動手段に相当する。
【００５７】
図２に戻り、第２偏光検出部１５は、反射ミラー３０、レンズ３１、ピンホール３２の形成された板状物３３、および第１フォトダイオード３４から構成されている。つまり、ＧＬＰ２３から出力された第２偏光Ｂは、反射ミラー３０で反射され、レンズ３１により焦点となるピンホール３２を通過した後に、第１フォトダイオード３４で受光されるように構成されている。
【００５８】
第１フォトダイオード３４は、受光した光強度を検出信号Ｉｓに変換して制御ユニット３６に送信する。なお、第２偏光検出部１５は、本発明の第１検出手段に相当する。
【００５９】
次に、第１偏光検出部７に戻り、第２非偏光ビームスプリッタ１７は、無極性のものであり、光を直進方向と直交方向に２分する。つまり、第１非偏光ビームスプリッタ１６から到達した光を分岐する。各々の光を第１偏フォトダイオード２１と平行度検出器３５に向せる。
【００６０】
レンズ１８は、第２非偏光ビームスプリッタ１７から到達した直線偏光を集光して板状物２０に形成されたピンホール１９を通過するように焦点が合わされている。
【００６１】
第２フォトダイオード２１は、ピンホール１９を通過した第１偏光Ａを受光して、光強度の検出信号Ｉｒに変換して制御ユニット３６に送信する。
【００６２】
平行度検出部３５は、反射光の光路ズレを検出している。図３に示すように、平行度検出部３５は、４個のフォトダイオード３５ａ−３５ｄが２次元アレー状に隣接配備されており、第２非偏光ビームスプリッタ１７から到達する直線偏光の光軸が互いに隣接し合う中心点Ｃに位置し、４個のフォトダイオード３５ａ−３５ｄにまたがって均等に受光されるようになっている。各フォトダイオード３５ａ−３５ｄで受光した直線偏光を光強度の検出信号に変換して制御ユニット３６に送信する。なお、平行度検出部３５は、本発明の検出手段に相当する。
【００６３】
制御ユニット３６は、図４に示すように、ロックインアンプ３７、演算処理部３８、および駆動制御部３９を含むとともに、外部に操作部４０が接続されている。以下、各構成について具体的に説明する。
【００６４】
ロックインアンプ３７は、ノイズ除去として機能している。つまり、測定対象物Ｗからの反射光を光弾性変調器２４に入射させ、反射光の偏光成分の光強度を予め決めた周波数で変調された周波数が参照信号として周波数発生器４１からロックインアンプ３７に入力されるとともに、第１フォトダイオード３４からの第２偏光Ｂの検出信号Ｉｓがロックインアンプ３７に入力される。このとき、第２偏光Ｂの検出信号Ｉｓから上記周波数と同じ周波数成分のみが抽出されるようになっている。
【００６５】
演算処理部３８は、主として２通りの処理を行っている。第１の処理として、載置台６に保持された測定対象物Ｗの反りなどの影響によって、焦点面から反射して戻る偏光が、第１偏光検出部７の第２フォトダイオード２１および第２偏光検出部１５の第１フォトダイオード３３で受光されるように光路のズレの補正量を算出する。第２の処理として、測定対象物Ｗの所定のガラス基板Ｗ１またはＷ２に作用している応力によって発生する複屈折の変化量、光弾性係数、およびガラス基板の厚みのうちの未知パラメータ、並びに所定のガラス基板に作用する主応力の差とその方向、およびオフセット値を求める。これら具体的な処理については、動作説明で詳述する。なお、演算処理部３８は、本発明の演算手段に相当する。
【００６６】
駆動制御部３９は、操作部４０によって設定された条件に基づく駆動信号を各光学ヘッド４Ａ−４Ｃの回転駆動機構２５や図示しないアクチュエータに送信する。つまり、駆動制御物３８は、回転駆動機構２５が光源１からの初期光の光軸回りに回転ユニット１２を任意の回転角度に回転移動するように制御する。また、駆動制御部３９は、載置台６をＸＹ平面上でそれぞれの方向に任意の速度で移動させる。
【００６７】
これら各構成を含む制御ユニット３６は、上記の処理以外に初期の設定条件に基づいて各駆動機構などの動作を制御する。
【００６８】
周波数発生器４１は、操作部４０から設定された周波数情報を制御ユニット３６を介して受信し、この受信信号に基づいて光弾性変調器２４に所定の電圧を印加するとともに、光弾性変調器２４に入射させた反射光の偏光成分の光強度を予め決めた周波数で変調された周波数を参照信号としてロックインアンプ３７に送信する。
【００６９】
次に、上記実施例装置を用いて、測定対象物Ｗの各ガラス基板Ｗ１，Ｗ２に作用する主応力の差と主応力の差の作用している方向を測定する一巡の動作および処理について、図５に示すフローチャートに沿って説明する。なお、測定対象物Ｗを構成するガラス基板Ｗ１，Ｗ２の両方に応力が作用している場合を例にとって説明する。
【００７０】
オペレータは、操作部４０を操作して測定対象物Ｗの総厚み、各光学ヘッド４Ａ−４Ｃの設置角度と各移動テーブル２６，２８の移動速度、測定対象である主応力の差、主応力の差の作用する方向、直線偏向の回転角を求めるためのモデル式などの測定条件を設定入力する（ステップＳ１）。なお、この実施例の場合、各光学ヘッド４Ａ−４Ｃは、第１光学ヘッド４Ａを基準として０°に設定し、この基準に対して第２光学ヘッド４Ｂを４５°、第３光学ヘッド４Ｃを９０°に設定する。
【００７１】
条件設定が完了すると、載置台６に測定対象物Ｗが載置保持されるとともに、各駆動機構が作動されて測定開始できる状態となる。この時点で可動台１４が所定位置に移動して停止し、その位置で第１光学ヘッド４Ａによるテスト照射が実行される。（ステップＳ２）。このとき、可動台１４を昇降させながらテスト照射が実行される。
【００７２】
光路ズレは、次のようにして行われる。光源１から測定対象物Ｗに向けて直線偏光が照射され、反射して戻る第１偏光Ａを平行度検出器３５で受光し、各フォトダイオード３５ａ−３５ｄの光強度の検出信号を制御ユニット３６の演算処理部３８に送信する。
【００７３】
演算処理部３８は、各フォトダイオード３５ａ−３５ｄが受光したそれぞれの光の強度値と各フォトダイオード３５ａ−３５ｄが受光した光の全量から求めた強度値の平均を比較し、求まる偏差に基づいて光源１から測定対象物Ｗまでの光路ズレの有無を判断する（ステップＳ３）。
【００７４】
光路ズレが確認できた場合、演算処理部３８は、測定対象物Ｗの反りなどの影響で起こる煽りを補正するための補正量を求めて信号変換する（ステップＳ４）。この補正信号に基づいて、駆動制御部３９は、アクチュエータを作動させて載置台６の傾きを補正し、反射光が各フォトダイオード３５ａ−３５ｄに均等に照射させるようにする（ステップＳ５）。
【００７５】
光路ズレの傾き補正処理が完了すると、再び可動台１４を昇降させてテスト照射を行う。この時点で光路ズレが解消されていれば、その測定結果から測定対象となるガラス基板Ｗ１とガラス基板Ｗ２の裏面の焦点位置を検出する（ステップＳ６）。光路ズレが解消されていなければ、ステップＳ２からの補正処理が繰り返し行われる。
【００７６】
測定条件の取得が完了すると、測定開始状態へと移行する。つまり、図６（ａ）に示すように、Ｙ軸移動テーブル２７の図中右上角部が第１光学ヘッド４Ａの下方へと移動させられる。すなわち、駆動制御部３９がＹ軸移動テーブル２７およびＸ軸移動テーブル２９の駆動機構の動作を制御して、Ｙ軸移動テーブル２７を測定開始位置に移動させる。
【００７７】
同時に、取得済みの複数個の焦点から、先ずガラス基板Ｗ１の裏面が焦点となるように、光学ヘッド４Ａ−４Ｃの可動台１４が移動される（ステップＳ７）。
【００７８】
測定開始状態が整うと、測定を開始する（ステップＳ８）。光源１から光が照射されると、図６（ｂ）に示すように、Ｙ軸移動テーブル２７が右側に移動してゆく。このとき、先ず第１ミラー２Ａで反射された光が直線偏光板３を透過して第１光学ヘッド４Ａに入射する。この直線偏光は、測定対象物Ｗの右上角部側に光が照射される。つまり、直線偏光は、光学ヘッド４Ａを透過する過程で光弾性変調器２４により楕円偏光に変換され、測定対象物Ｗに到達する。
【００７９】
測定対象物Ｗから反射して戻る反射光は、入射光と同一航路を通り光学ヘッド４Ａへと戻る。反射光が光学ヘッド４Ａと透過する過程で、先ず光弾性変調器２４で変調されつつ、測定対象物Ｗに作用している応力の影響で楕円偏光の向きが、光軸周りに微小に回転した楕円偏光をそのまま全透過させる。
【００８０】
光弾性変調器２４を透過した楕円偏光は、ＧＬＰ２３を透過する。このとき、ＧＬＰ２３は。光源１からの入射光と同じ偏光面を有する第１偏光Ａを光源１側の初期光路に戻すとともに、測定対象物Ｗに作用している応力の影響を受けた第２偏光Ｂを分離して側面から第２偏光検出部１５に向けて出力する。
【００８１】
ＧＬＰ２３から出力される第１偏光Ａは、第１偏光検出部７に戻る過程で各光学部材を通過することにより、直線偏光に戻される。
【００８２】
各偏光検出部７、１５に到達した第１偏光Ａと第２偏光Ｂは、第１および第２フォトダイオード３４、２１で受光される。ここで、第１フォトダイオード３４で検出された第２偏光Ｂの光強度の変化が、検出信号Ｉｓにリアルタイムに変化されるとともに、この検出信号Ｉｓと参照信号が制御ユニット３６のロックインアンプ３７に送信される。第２フォトダイオード２１で受光された第１偏光Ａの光強度の変化が、検出信号Ｉｒにリアルタイムに変化されて制御ユニット３６の演算処理部３８に送信される。
【００８３】
ロックインアンプ３７は、第２偏光Ｂの検出信号Ｉｓから参照信号と同じ周波数成分のみを演算処理部３８に送信する。
【００８４】
このとき、ガラス基板Ｗ１，Ｗ２に応力が作用している場合、各焦点面で反射して戻る反射光に第２偏光Ｂが含まれている。つまり、図７に示すように、ガラス基板１の表面と空気層との接触界面（焦点面Ｐ１）で反射して戻る反射光Ｒ１、ガラス基板Ｗ１とガラス基板Ｗ２との微小間隙の空気層とガラス基板Ｗ１の裏面との接触界面（焦点面Ｐ２）で反射して戻る反射光Ｒ２、空気層とガラス基板Ｗ２の表面との接触界面（焦点面Ｐ３）で反射して戻る反射光Ｒ３、およびガラス基板Ｗ２と載置台６との接触界面（焦点面Ｐ４）で反射して戻る反射光Ｒ４のそれぞれに、第２偏光Ｂの光強度の検出信号Ｉｓの成分が含まれている。
【００８５】
各焦点面Ｐ１〜Ｐ４で反射して戻る反射光は、初期光と同一光路に戻され、再びＧＬＰ２３を透過される。このとき、応力の影響を受けて生じた第２偏光Ｂと影響のない第１偏光Ａに分離される。分離された第１偏光Ａは、ピンホール１９を通過することによって焦点からの偏光のみを通過させ上流側の第２フォトダイオード２１で受光される。第２偏光Ｂは、第１偏光Ａとは別光路に出力され、反射ミラー３０で反射され、ピンホール３２を通過して焦点から戻る偏光のみが第１フォトダイオード３４に向かう。第１フォトダイオード３４で受光された各焦点面Ｐ１−Ｐ４から反射して戻る第２偏光Ｂの光強度は、図８に示すように、３つのピークとして現れる。
【００８６】
この実施例では焦点面Ｐ１−Ｐ４の４箇所あるので４つのピークが発生するはずであるが、３つのピークとなって現れる。この現象は、本光学系の焦点深度から、空気層の前後のガラス面で反射する光で干渉が生じて焦点面Ｐ２およびＰ３で反射して戻る反射光Ｒ２およびＲ３が合成されたものとなっていることが新たな知見として得られた。この図８で示す実線が、検出対象の光弾性信号であり、破線が測定対象物Ｗで反射して戻る反射光の信号である。
【００８７】
したがって、演算処理部３８は、先ず、これら第１および第２フォトダイオード３４、２１からの検出信号のうち焦点面Ｐ２、Ｐ３で反射して戻る合成された反射光に含まれる検出信号と焦点面Ｐ２で反射して戻る検出信号を抽出し、両検出信号Ｉｓの値を補正する。つまり、ロックインアンプ３７から送信された第２偏光Ｂの検出信号Ｉｓを第１偏光Ａの検出信号Ｉｒで除算したＩｓ／Ｉｒで補正する。そして、この補正後の光強度値、測定時の光学ヘッド４Ａの回転ユニット１２の設定角度、および、Ｙ軸移動テーブル２７およびＸ軸移動テーブル２９の位置情報を関連付けて記憶しておく。なお、この位置情報は、例えば両テーブル２７、２８を移動させるモータなど駆動機構の回転角をエンコーダなどのセンサでパルス信号として取得する。
【００８８】
第１光学ヘッド４Ａでの測定が完了すると、Ｙ軸方向に整列配備された第２光学ヘッド４Ｂ、第３光学ヘッド４Ｃにより、第１光学ヘッド４Ａと同じ焦点位置の測定が順番に実行される（ステップＳ８,Ｓ９,Ｓ１０）。
【００８９】
各光学ヘッド４Ａ−４Ｃによる同一焦点Ｐ２の測定が完了すると、演算処理部３８は、ガラス基板Ｗ１に作用している各主応力の差とその方向、直線偏向の回転角θ、および、オフセット値を測定結果とモデル式φsin(2(α−θ))＋Ｃを利用して求める（ステップＳ９）。
【００９０】
具体的に、演算処理部３８は、記憶した位置情報から同一焦点の情報を抽出する。そして、３つの光強度値と各光学ヘッド４Ａ−４Ｃの設置角度を利用し、前面ガラス基板Ｗ１の複屈折の変化量It(k)を以下に示すモデル式を利用して求める。
【００９１】
It(k)＝K(4Φ2 ＋ 2ρΦsin(2(α−θk))) … （１）
【００９２】
ただし、2枚のガラス基板の複屈折量は極僅か(ρ<0.01rad)の場合を想定しており、その２乗の項は省略する。
【００９３】
ここで、ｋは光学ヘッド４Ａ−４Ｃの識別記号でありk=１，２，３とし、ｔは時間、ρはガラス基板Ｗ１の複屈折量、αは主応力差の方向、θkは複屈折の方向と大きさを検出するためにガラス基板Ｗ１に対する光学ヘッドkの直線偏光の回転角、Φは光弾性変調器２４による変調量の振幅の半分、Ｃは信号のオフセット値、Kは光源１の強度に関する値である。時間tは同一点を異なる時刻に各光学ヘッド４Ａ−４Ｃで測定することを意味する。
【００９４】
そして、図４に示すように、検出信号Ｉｓをロックインアンプ３７に通すことにより、前面ガラス基板Ｗ１の複屈折の変化量は、次式（２）の１次式で表すことができる。
【００９５】
It(k)＝2KΦ[ρsin(2(α−θk)) ] … （２）
【００９６】
すなわち、交流成分である複屈折の情報を含むρとαの信号成分のみが抽出される。そして、式（２）は、図９に示すように、回転角θkを連続変数とみなしたとき、正弦波（以下、適宜に「１次―正弦波」という）として求めることができる。ただし、式（２）で求まるｓｉｎカーブにおいて、実際の光学ヘッドではゼロレベルがずれる場合がある。したがって、上記（２）においてゼロレベルのずれ量をオフセットとして考慮すると、次式（３）によって表すことができる。
【００９７】
It(k)＝φsin(2(α−θk))＋Ｃ … （３）
【００９８】
なお、当該式のＣは、オフセット量である。当該オフセット量は、レンズなどの光学系の残留複屈折から生じ、式（３）のモデルは、図９に示すゼロレベルのずれた１次―正弦波となる。この振幅Ｖを主応力の差として求めることができる。また、主応力差の方向は、このsinカーブがオフセット値Ｃと交差する角度αとして特定できる。この角度は複屈折が最大および最小となる角度から±４５°の位置である。
【００９９】
さらに、本実施例では同一試料を用いて作用する弾性応力の状態、すなわち、引っ張り状態と圧縮状態をキャリブレーションして予め求めておく。例えば、図９および１０に示す位相が反転した回転角の２倍を変数とする２つの１次―正弦波が得られる。これら両１次―正弦波を基準モデルとして記憶しておき、測定対象であるガラス基板から得られる１次―正弦波と基準モデルとのαでの傾きを比較することにより、ガラス基板に作用している弾性応力が引っ張りであるか、それとも圧縮であるかを特定する。
【０１００】
上述のように、ガラス基板Ｗ１の所定の１点での処理が完了する。同様にＹ軸に沿って測定対象物Ｗが、図６（ｃ）に示すように、図中左他端に達するまでに連続または所定のサンプリングピッチで測定処理が繰り返し実行される。
【０１０１】
測定対象物Ｗが測定終端位置に達すると、駆動制御部３９は、図６（ｄ）に示すようにＸ軸移動テーブル２９を所定ピッチで水平移動させ、その後にＹ軸移動テーブル２７を反転移動させる。この間においてもガラス基板Ｗ１に対する測定が繰り返し行われる。
【０１０２】
ガラス基板Ｗ１の全面において測定が完了すると、駆動制御部３９は、各光学ヘッド４Ａ−４Ｃの可動台１４を作動させガラス基板Ｗ２の裏面焦点に位置合せを行う（ステップＳ１０）。
【０１０３】
各光学ヘッド４Ａ−４Ｃの焦点の位置合せが完了すると、駆動制御部３９は、ガラス基板Ｗ１の測定時の往路を測定光が通るように、Ｙ軸移動テーブル２７とＸ軸移動テーブル２９の動作を制御してガラス基板Ｗ２の測定を開始する。この移動の間に上述のステップＳ８−Ｓ１１の処理を繰り返し実行し、ガラス基板Ｗ２の裏面焦点からの反射光を検出し、ガラス基板Ｗ２に作用している主応力の差とその方向、およびオフセット値を求める。
【０１０４】
ガラス基板２の測定時において、制御ユニット３６は、測定対象物Ｗが終端位置を判断しつつ（ステップＳ１２）、終端位置に達した時点で測定対象である最終層のガラス基板Ｗ２であることが確認する（ステップＳ１３）。ここで終端位置、かつ、ガラス基板Ｗ２であることが確認されると全測定処理が完了する。
【０１０５】
上述の構成を有する光弾性測定装置によれば、ガラス基板Ｗ１，Ｗ２に作用している応力の影響で偏光状態が変化して生じた垂直成分の第２偏光ＢのみをＧＬＰ２３で分離して取り出すことができる。このＧＬＰ２３で分離した第２偏光Ｂを、さらにピンホール３２を通過させることにより、ガラス基板Ｗ１の裏面（焦点面Ｐ２とガラス基板Ｗ２の表面（焦点面Ｐ３）から反射して戻るガラス基板Ｗ１の応力の影響を受けた第２偏光Ｂと、ガラス基板Ｗ２の裏面（焦点面Ｐ４）から反射して戻るガラス基板Ｗ２の応力の影響を受けた第２偏光Ｂのみを抽出することができる。換言すれば、共焦点を利用することにより、任意のガラス基板（層）に作用している応力の影響を受けた第２偏光のみを測定できる。
【０１０６】
また、所定のガラス基板Ｗ１，Ｗ２の裏面に各光学ヘッド４Ａ−４Ｃの焦点を合せた状態で、光学系ユニット５と測定対象物Ｗを相対的に水平移動させることにより、異なる偏光角の偏光が同一焦点に瞬時に照射される。したがって、測定処理を高速にすることができる。
【０１０７】
また、平行度検出器３５を利用することにより、測定光の光路ズレを補正することができ、第１偏光Ａおよび第２偏光Ｂを第１および第２フォトダイオード３４、２１で精度よく受光できる。
【０１０８】
さらに、複屈折量が既知の光弾性変調器２４を回転ユニット１２に介在させておくことにより、第２偏光Ｂの検出信号が微小であっても増幅させ、ロックインアンプ３７を用いることにより、ガラス基板Ｗ１，Ｗ２に作用している微小な応力を精度よく測定することができる。
【０１０９】
なお、本発明は上述した実施例に限らず、次のように変形実施することができる。
【０１１０】
（１）上記実施例装置では、測定移動方向に沿って３台の光学ヘッド４Ａ−４Ｃを１列に整列配備していたが、この形態に限定されるものではなく、３台以上であってもよいし、３台以上の光学ヘッドを２次元アレー状に配備した構成であってもよい。
【０１１１】
（２）上記実施例装置では、測定前に所定の位置で焦点位置をスキャニングして取得していたが、次にように実施してもよい。
【０１１２】
例えば、１次元または多次元ラインセンサなどで測定対象物Ｗの表面全体の高さの変動を予め測定し、マッピングデータを作成して制御ユニット３６に記憶しておく。測定開始と同時に駆動制御部３９がマッピングデータを参照し、各光学ヘッド４Ａ−４Ｃの可動台１４の昇降移動を調整しながら対物レンズ１３から測定対象物Ｗの表面までの距離を一定に保つように制御する。すなわち、測定対象物Ｗの表面高さのバラつきに関わらず、測定対象である焦点位置が常に各光学ヘッド４Ａ−４Ｃで検出されるように構成する。
【０１１３】
別例として、測定方向の先頭に配備される光学ヘッド４Ａおよび／または４Ｃの前方にレーザセンサや光学センサを配備し、光学ヘッドが通る直前に測定対象物Ｗの表面高さを測定し、この測定結果に基づいて駆動制御部３９が各光学ヘッドの可動台１４の昇降を調整し、測定対象である焦点位置が常に一定に検出されるように構成してもよい。
【０１１４】
（３）上記実施例装置において、実測により求める１次―正弦波には、少なからずノイズ成分が含まれている。そこで、上記式（３）を利用して得られたデータに最小２乗方法を適用することにより、ノイズ成分を除去するよう構成してもよい。この構成によれば、主応力の差とその方向、並びにオフセット量の測定精度をさらに向上させることができる。
【０１１５】
（４）上記各実施例では、２枚のガラス基板Ｗ１，Ｗ２を間隙おいて配備した測定対象物Ｗを利用したが、測定対象物Ｗはこの形態に限定されるものではなく、間隙をなくし複数枚の透過性を有する測定対象物を密着させて積層したものであってもよい。例えば、ガラス基板同士、ガラス基板とフィルムなどのように屈折率の異なる測定対象物の組合せなどがある。
【０１１６】
（５）上記各実施例では、測定対象物Ｗの平行度が保たれている場合には第２非偏光ビームスプリッタ１７および平行度検出器３５を省いた構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】実施例装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】光学ユニット内の光学ヘッドの構成を示すブロック図である。
【図３】平行度検出部による偏光の受光状態を示す平面図である。
【図４】実施例装置の概略構成を示すブロック図である。
【図５】主応力の差とその方向を測定する一巡の処理および動作を示すフローチャートである。
【図６】実施例装置の動作を説明する図である。
【図７】測定対象物の各焦点面で反射する反射光の状態を示す図である。
【図８】第２偏光の光強度の検出状態を示す図である。
【図９】ロックインアンプにより得られる弾性信号の出力図である。
【図１０】ガラス基板に作用している弾性応力の状態を示す比較図である。
【符号の説明】
【０１１８】
１ … 光源
２ … ミラー
３ … 直線偏光板
４ … 光学ヘッド
５ … 光学ユニット
６ … 載置台
７ … 第１偏光検部
８ … ファラデーローテータ
９ … 直線偏光板
１０ … λ／２波長板
１１ … λ／４波長板
１２ … 回転ユニット
１３ … 対物レンズ
１４ … 可動台
１５ … 第２偏光検出部
２１ … 第２フォトダイオード
２３ … ＧＬＰ
２４ … 光弾性変調器
２７ … Ｙ軸移動テーブル
２９ … Ｘ軸移動テーブル
３４ … 第1フォトダイオード
３５ … 平行度検出器
３６ … 制御ユニット
３７ … ロックインアンプ
３８ … 演算処理部
３９ … 駆動制御部
４０ … 操作部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶パネルやプラズマディスプレイパネルなどのような透過性を有する測定対象物に作用する応力や歪みなどを測定するための光弾性測定方法およびその装置に係り、特に、微小間隙をおいて配備された２枚の貼り合せ基板のそれぞれの基板に作用している応力を高速かつ精度よく測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス基板のような透過性を有する測定対象物に作用している応力を求める方法として、次のような方法が知られている。第１の方法として、平坦なテーブルに平面保持された測定対象物に光を照射し、測定対象物の表面および裏面から反射して戻る反射光を測定する。このとき、その反射光の変化から測定対象物に作用している主応力の差とその方向を求めている。また、第２の方法として、測定対象物に向けて照射した光のうち、測定対象物を透過した透過光の変化から測定対象物に作用している主応力の差とその方向を求めている（非特許文献１参照）。
【０００３】
また、共焦点方式で、かつ反射方式の光学系が提案されている（非特許文献２）。
【０００４】
【非特許文献１】最新 応力・ひずみ測定・評価技術（第４９頁−第６６頁） 監修：河田幸三 発行：株式会社 総合技術センター
【非特許文献２】２００３年度博士論文 反射型レーザ光弾性実験装置の開発と皮膜の応力評価への応用 東京電機大学大学院研究科・機械システム工学専攻博士課程 島 靖郁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の各方法では次のような問題がある。
【０００６】
第１および第２の方法のいずれも１枚の透過性を有する測定対象物である基板に対しては、有効に機能する。しかしながら、光学特性、特に屈折率の異なる光学特性を有する複数の素材が積層された基板を、微小間隙をおいて配備した２枚の貼り合せ基板について主応力の差とその方向を測定する場合、２枚の基板のいずれの基板に、または両方の基板に作用する主応力の差とその方向を精度よく求めることができないといった問題がある。
【０００７】
すなわち、上記貼り合せ基板について、２枚の基板のいずれの基板、または両方の基板に作用する主応力の差とその方向を測定するために第１の方法を適用した場合、貼り合せ基板から反射して戻る反射光は、各基板の表面および裏面から戻るものが全て合成される。そのため、主応力の差とその方向を知るのに必要なそれぞれの基板の裏面からの反射光のみを取得したくても、個々に容易に分離することができない。
【０００８】
また、第２の方法を適用した場合、貼り合せ基板を透過した透過光は、全てが合成され、基板ごとに透過した透過光を個々に分離することができない。
【０００９】
また、非特許文献２の方法では、測定に中心的な役割を担った素子として非偏光ビームスプリッタを使わざるを得ない。その事が光弾性信号（複屈折）の消光比を著しく劣化させており、微少な複屈折を検出できないといった問題点がある。
【００１０】
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、光学特性として屈折率の異なる複数の素材が積層された基板、特に微小間隙をおいて積層された貼り合せ基板について、応力の作用している基板を正確に分別するとともに、その基板に作用する主応力の差、主応力の差の作用する方向を高速かつ精度よく求めることのできる光弾性測定方法およびその装置を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そこでこの発明は、上記目的を達成するために次のような構成をとる。
【００１２】
すなわち、第１の発明は、複数層からなる透過性を有する測定対象物の各層に作用する主応力の差、主応力の差の作用する方向、およびオフセット値の少なくとも主応力の差、主応力の差の作用する方向を測定する光弾性測定方法であって、
照射手段からの照射光を光学手段を介して直線偏光にし、
レンズを介して前記測定対象物に直線偏光を照射しながら、レンズと測定対象物を光軸方向に沿って相対的に前後移動させて層同士が接触する複数の接触界面のうち所定の接触界面に焦点を合せ、
前記測定対象物から反射して戻る反射光を光学手段に透過させて初期の光路を戻る第１偏光と、当該第１偏光と直交する第２偏光を別光路に分離して出力し、
分離された前記第２偏光のうち焦点面から反射して戻る偏光のみをピンホールに通過させて検出する光学ヘッドを少なくとも３台備え、
前記各光学ヘッドから測定対象物に照射される直線偏光が、それぞれ異なる入射角となるように整列配備した状態で、当該光学ヘッドと測定対象物を相対的に平行移動させつつ、各光学ヘッドから照射されて所定層の同一の接触界面から反射して戻る偏光を当該光学ヘッドごとに検出し、
検出された前記各偏光の少なくとも3つの異なる角度θでの光強度の変化量に基づいて、主応力の差φ、主応力差の作用する方向α、および、オフセット値Ｃをφsin(2(α−θ))＋Ｃからなるモデル式から求める、
ことを特徴とする。
【００１３】
（作用・効果） この光弾性測定方法によれば、直線偏光が測定対象物に照射されると、焦点を合せた接触界面（焦点面）から反射して戻る反射光と、それ以外の界面などから反射して戻る反射光とが合わさって光学手段に戻される。この反射光は、光学手段によって初期の光路に戻る第１偏光と、第１偏光とは個別光路に出力される第１偏光と直交する第２偏光とに分離される。そして光学手段から出力される第２偏光は、ピンホールを通過するときに所定の接触界面の焦点面から反射して戻る偏光のみが抽出される。換言すれば、所定層のみを透過して戻る偏光のみが抽出され、この第２偏光の光強度が層ごとに1台の光学ヘッドによって検出される。
【００１４】
少なくとも残り２台の光学ヘッドと測定対象物を水平方向に相対的に移動させ、上述の光学ヘッドと同一箇所に対して同様の処理が行われる。ただし、光学ヘッドは、個々に異なる偏光角の直線偏光を測定対象物に照射する。そして、各光学ヘッドによって検出された第２偏光の光強度の変化量を取得する。取得した複数個の光強度の変化量とその偏光の回転角度の位置情報と主応力の差φの小さい場合のφsin(2(α−θ))＋Ｃからなるモデル式を用いることにより、測定対象物の各層に作用している主応力の差φ、主応力の差の作用する方向α、およびオフセット値の少なくとも主応力の差、主応力の差の作用する方向を求めることができる。
【００１５】
すなわち、光学ヘッドごとに抽出された第２偏光の光強度から測定対象物の所定層で複屈折により変化を受けた偏光の変化情報が取得される。このとき主応力の差は、直線偏光の回転角度ごとの位置情報と光強度の変化から導き出される上記ｓｉｎモデルのカーブの振幅が最大となる量として、その方向は、オフセット値Ｃと交差する角度として求めることができる。
【００１６】
また、複数台の光学ヘッドと測定対象物を水平移動させながら同一箇所の同一焦点からの反射光をリニアに検出することができる。換言すれば、単一の光学ヘッドを光軸周りの所定角度に設定し直してから同一焦点からの反射光を測定するする必要がないので、高速な測定が可能となる。
【００１７】
第２の発明は、第１の発明において、前記分離過程で分離されて初期の光路を戻る第１偏光のうち前記焦点面から反射して戻る偏光のみをピンホールに通過させて検出する反射光検出過程を備え、
前記演算過程は、さらに予め求めた前記照射手段からの反射光の光強度に対する前記偏光検出過程で検出された偏光および前記反射光検出過程で検出された偏光の両光強度の変化量を求め、この変化量に応じて実測により求まる第２偏光から検出した偏光の光強度を補正することを特徴とする。
【００１８】
（作用・効果） この方法によれば、光学手段で分離された第１偏光のうち焦点面で反射して戻る偏光のみが抽出される。したがって、第１偏光と第２偏光から抽出した両偏光の光強度から測定対象物を透過する過程で偏光が応力により受けた変化量が分かる。また、この変化量を補正する補正量を求めて補正処理をすることができる。また、測定対象物の照射側を第１層の第１面と定義し、この順で番号付けすると、第１層の第１面からの反射光の光強度の変化量は、複屈折の変化量を含まない。したがって、この第１面から反射する反射光の光強度を利用して光量で実測により求まる第２偏光を補正でき、測定精度を上げられる。
【００１９】
第３の発明は、第１または第２の発明において、前記照射手段は、単一の光源からなり、当該照射手段からの照射光を光学ヘッドに均等に分光することを特徴とする。
【００２０】
（作用・効果） この方法によれば、装置構成の小型化が可能となる。
【００２１】
第４の発明は、第１ないし第３の発明のいずれかにおいて、前記測定対象物の表面高さを検出し、
当該検出結果と予め決めた基準値とを比較し、求まる偏差に応じて前記光学ヘッドの高さを調整することを特徴とする。
【００２２】
（作用・効果） この方法によれば、測定対象物の所定方向に連続的、または、全面にわたって主応力の差などを測定するのに有効に機能する。すなわち、測定対象物が傾斜していたり、反りやあおりが生じていたりする場合であっても、焦点位置を一定維持することができるので、２次元平面状に分布する所定層に作用する主応力の差を連続的に制度よく測定することができる。
【００２３】
また、この発明は、上記目的を達成するために次のような構成をとる。
【００２４】
すなわち、第５の発明は、複数層からなる透過性を有する測定対象物の各層に作用する主応力の差、主応力の差の方向、およびオフセット値の少なくとも主応力の差、主応力の差の作用する方向を測定する光弾性測定装置であって、
前記測定対象物に向けて光を照射する照射手段と、
前記照射手段からの光を透過させて直交する２方向の偏光成分からなる直線偏光にする第１光学手段と、
前記直線偏光を透過させて前記測定対象物の所定層の界面に焦点を合せるレンズと、
前記測定対象物の焦点面から反射して戻る偏光のうち初期の光路を戻る第１偏光と、この第１偏光と直交する第２偏光を別光路に分離して出力する分離手段と、
分離された前記第２偏光のうち前記焦点面から反射して戻る偏光のみを通過させるピンホールの形成された部材と、
前記ピンホールを通過した第２偏光の光強度を検出する第１検出手段とを備えた光学ヘッドと、
少なくとも３台の前記光学ヘッドを備え、当該各光学ヘッドから測定対象物に照射される直線偏光が、それぞれ異なる入射角となるように整列配備された光学ユニットと、
前記測定対象物を保持する保持手段と、
前記光学ヘッドのレンズと保持手段を偏光の光軸方向に沿って相対的に前後に移動させる前後移動手段と、
前記保持手段と光学ユニットを相対的に平行移動させる平行移動手段と、
前記光学ユニットと測定対象物を相対的に平行移動させつつ、各光学ヘッドから照射されて所定層の同一箇所から反射して戻る偏光を各光学ヘッドの第１検出手段ごとに検出し、当該各偏光の光強度の変化量と検出角度の位置情報に基づいて、主応力の差φ、主応力の差の方向α、および、オフセット値Ｃをφsin(2(α−θ))＋Ｃからなるモデル式により求める演算手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００２５】
（作用・効果） この光弾性測定装置によれば、保持手段に保持された測定対象物に向けて照射手段から照射された光が、光学手段によって直線偏光にされる。この偏光を照射しながら前後移動機構によって保持手段と測定対象物とが光軸方向に沿って前後に移動させられることにより、所定の界面に焦点が合わされる。その焦点面および他の界面などで偏光が反射して第１光学手段に戻され、各層を透過するときに複屈折による変化量の作用していない偏光が、第１偏光として初期光路に戻される。複屈折による変化量の作用して生じた反射光は、第２偏光として光学手段によって第１偏光とは別光路に出力される。
【００２６】
第１光学手段から出力された第２偏光がピンホールを通過するときに、焦点の合わされた所定の界面から反射して戻る偏光のみが抽出され、この偏光が第１検出手段により検出される。同様に光学ユニットに備わった少なくとも残りの２台の光学ヘッドにおいても同じ処理を行う。ただし、各光学ヘッドから測定対処物に照射される直線偏光の偏光角がそれぞれ異なる。そして、各光学ヘッドから検出された第２偏光の光強度の変化量を取得する。
【００２７】
演算手段は、光学ヘッドごとに取得した光強度の変化量と第２偏光の回転角度θの情報と主応力の差φの小さい場合のモデル式φsin(2(α−θ))＋Ｃとを利用して、測定対象物の各層に作用している主応力の差、主応力の差の方向を求める。したがって、第１の方法発明を好適に実現することができる。
【００２８】
第６の発明は、第５の発明において、分離手段で分離された第１偏光のうち焦点面から反射して戻る偏光のみを通過させるピンホールの形成された部材と、ピンホールを通過した偏光の光強度検出する第２検出手段とを備え、演算手段は、第１検出手段により検出された偏光の光強度を用いて第２検出手段により検出された偏光の光強度を除算するように構成することを特徴とする。
【００２９】
（作用・効果） この構成によれば、第１および第２偏光から応力により受けた変化量が分かるとともに、この変化量を補正する補正量を求めることができる。また、第１層の第1面からの反射光の光強度の変化量は、複屈折の変化量を含まない測定対象物の第１面から反射する光量で補正でき、測定精度を上げられる。すなわち、第２の方法発明を好適に実現することができる。
【００３０】
第７の発明は、第５または６の発明において、前記測定対象物からの反射光を入力させ、その光強度を予め決めた周波数に変調する光弾性変調器と、
変調されてピンホールを通過した第２偏光を入力させて予め決められた前記周波数成分の実測情報を抽出するロックインアンプとを備え、
前記演算手段は、前記測定対象物と同じ試料を用いて当該試料に圧縮および引っ張り応力を作用させたときの各主応力の差を直線偏光の向きを変数とする正弦波として予め基準情報を取得しておき、当該基準情報と実測情報とを比較し、測定対象物に作用している主応力の差の状態を特定することを特徴する。
【００３１】
（作用・効果） この構成によれば、所定の周波数の変調に微少な複屈折を持った光弾性変調器（例えば、複屈折の大きさとして、0.001rad以下）を利用して第２偏光にかけるとともに、当該第２偏光をロックインアンプに入力させることにより、光弾性変調器の複屈折の大きさの2乗成分が無視でき、変調周波数と同じ成分のみの試料の複屈折と光弾性変調器の複屈折の積が直線偏光の回転角度を変数とする正弦波として抽出できる。したがって、予め同一試料で求めた圧縮および引っ張りの基準情報と、実測により求まる実測情報から得られたモデルの形状とを比較することにより、測定対象物に作用している主応力の差が圧縮であるか、それとも引っ張りであるかを容易に特定することができる。
【００３２】
第８の発明は、第５ないし第７の発明のいずれかにおいて、前記分離手段で分離された第１偏光をピンホールに向う偏光と他の方向に向う偏光に分離する第１偏光分離手段と、前記第１偏光分離手段で他の方向に分離された偏光を検出する複数個の受光素子を２次元アレー状に配備して構成した検出手段と、
前記保持手段を傾斜させる駆動手段と、前記検出手段によって検出された偏光の位置に応じて保持手段に保持された測定対象物の傾斜量が前記演算手段により求められ、この傾斜量にしたがって前記駆動手段を作動させて前記保持手段の平行度を維持させる駆動制御手段とを備えることを特徴とする。
【００３３】
（作用・効果） この構成によれば、保持手段に保持された測定対象物の平行度が維持されるので、測定対象物で反射して戻る第１偏光が、初期の直線偏光と光路と重なり合う。すなわち、光路ズレなく、焦点面から反射して戻る第１および第２偏光を各ピンホールに確実に通過させることができ、測定対象の偏光を精度よく検出することができる。
【００３４】
第１０の発明は、第５ないし第９の発明のいずれかにおいて、前記測定対象物の表面高さを検出する高さ検出手段と、
前記演算手段により表面高さの検出結果と予め決めた基準値を比較し、求まる偏差に応じて前記光学ヘッドの高さを調整するよう前後移動手段の作動を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００３５】
（作用・効果） この構成によれば、測定対象物の保持状態に関わらず焦点位置を一定に維持することが可能となる。すなわち、第４の方法発明を好適に実施することができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明に係る光弾性測定方法およびその装置によると、複数台の光学ヘッドと測定対象物を相対的に水平移動させながら、各光学ヘッドから異なる偏光角の直線偏光を測定対象物に照射し、焦点を合せた所定の同一層から反射して戻る反射光のうち偏光状態の変化した偏光成分のみを抽出し、この偏光成分の光強度の変化量と予め決めたモデル式を利用することにより、任意の層に作用している応力の影響で生じる複屈折の変化量をリニアに抽出することができる。この複屈折の変化量から任意の層に作用している主応力の差およびその方向を高速かつ精度よく求めることができる。なお、検出する偏光の光強度の変化状態から応力の作用している層も分別することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。なお、本実施例では、液晶パネルやプラズマディスプレイのように２枚の透過性を有するガラス基板を、微小間隔をおいて重ね合わせた測定対象物の各層に作用している主応力の差とその方向、およびオフセット値を求める構成について説明する。
【００３８】
図１は本発明の光弾性測定方法を利用した実施例装置の概略構成を示す斜視図であり、図２は光学ユニット内および光学ヘッドの構成を示すブロック図である。
【００３９】
この実施例装置は、図１および図２に示すように、単一の光源１と、光源１からの光を分離または全反射して３台の光学ヘッド４（４Ａ−４Ｃ）のそれぞれに略均等な強度の光りを向かわせる３枚のミラー２（２Ａ−２Ｃ）と、分離された各光を直線偏光にする直線偏光板３と、各直線偏光を測定対象物Ｗ（Ｗ１，Ｗ２）に向けて出力する３台の光学ヘッド４Ａ、４Ｂ、４Ｃを備えた光学ユニット５と、測定対象物Ｗを載置保持する載置台６とから構成されている。なお、直線偏光板３は、本発明の第１光学手段に、載置台６は保持手段にそれぞれ相当する。
【００４０】
光源１は、半導体レーザや白色ＬＥＤ（Light emitting diode）などのランダム偏光のものが利用される。なお、光源１は、本発明の照射手段に相当する。
【００４１】
ミラー２は、光源１から出力される光の光路上に３枚の異なる特性のものが配備されている。光路の最上流に配備された第１ミラー２Ａは、光源１から出力された光のうち１／３を反射して第１光学ヘッド４Ａに向かわせ、残りの２／３を透過させる半透過型のミラーである。第１ミラー２Ａの下流側に配備された第２ミラー２Ｂは、第１ミラー２Ａを透過した光のうち１／２を反射して第２光学ヘッド４Ｂに向かわせ、残り１／２を透過させる半透過型のミラーである。最下流に配備された第３ミラー２Ｃは、第２ミラー２Ｂからの光を全反射して第３光学ヘッド４Ｃに向かわせる反射ミラーである。
【００４２】
各光学ヘッド４Ａ−４Ｃは、各ミラー２Ａ−２Ｃからの光を透過させて測定対象物Wに向かわせるものであって、その光路の上流から順番に第１偏光検出部７、ファラデーローテータ８、直線偏光板９、λ／２波長板１０、λ／４波長板１１、回転ユニット１２、対物レンズ１３を備えて前後に移動する可動台１４、および第２偏光検出部１５とから構成されている。以下、これら各構成について詳述する。なお、可動台１４は、本発明の前後移動手段に相当する。
【００４３】
第１偏光検出部７は、図２に示すように、第１非偏光ビームスプリッタ１６、第２非偏光ビームスプリッタ１７、レンズ１８、ピンホール１９の形成された板状物２０、および第２フォトダイオード２１から構成されている。なお、第１偏光検出部７は、本発明の第２検出手段に相当する。
【００４４】
この構成のうち、光源１からの光が直接に入射する第１非偏光ビームスプリッタ１６は、無極性のものである。つまり、光源１からの光を直進方向と直交方向に２分する。一方の光は測定系の外（図１中の一点鎖線の矢印で示す右方向）に出る。また、この実施例では、測定対象物Ｗから反射して戻る反射光を２分し、一方を第１偏光検出部７の第２フォトダイオード２１に向かわせる。他方は、光源１側に戻る。
【００４５】
つまり、第１非偏光ビームスプリッタ１６は、測定対象物Ｗから反射した光を直角方向に分岐して第１偏光検出部７の第２フォトダイオード２１に向かわせる。測定対象物Ｗを構成する各ガラス基板Ｗ１，Ｗ２の各表面および各裏面で反射して初期の直線偏光と同一光路に戻る直線偏光（以下、適宜「第１偏光Ａ」という）のうち、偏光面が初期の偏光状態と同じ偏光成分が第１非偏光ビームスプリッタ１６に戻される。
【００４６】
ファラデーローテータ８は、第１偏光ビームスプリッタ１６からの水平偏光を透過させて４５°回転させる。この偏光を直線偏光板９に向せる。また、ファラデーローテータ８は、測定対象物Ｗから反射して戻る反射光についても透過させて４５°回転させ、この光学系では垂直偏光成分のみに変換する。その結果、反射光の全光量が、第１偏光ビームスプリッタ１６を直進透過せず、初期光と直交する第２フォトダイオード２１に向かうようになる。
【００４７】
直線偏光板９は、往復透過する初期光と反射光を直線偏光にする。
【００４８】
λ／２波長板１０は、直線偏光板９から入射する４５°の直線偏光を透過させ、さらに４５°戻し、元の水平成分である直線偏光に戻してλ／４波長板１１に向かわせる。なお、測定対象物Wから戻る反射光についても透過させることにより４５°戻し、このλ／２波長板１０および下流側のλ／４波長板１１との協働により偏光方向を９０°回転させ第１偏光ビームスプリッタ１６への反射光を垂直成分のみにする。
【００４９】
λ／４波長板１１は、λ／２波長板１０から到達する直線偏光を透過させ、さらに４５°傾かせ、円偏光にする。また、測定対象物Ｗから反射し、回転ユニット１２に備わったグランレーザープリズム（以下、単に「ＧＬＰ」という）２３で分離されて同ユニット内の上流側のλ／４波長板２２を透過して戻る第１円偏光Ａを４５°回転させて円偏光から直線偏光に戻す。つまり、測定対象物Ｗのガラス基板Ｗ１やＷ２に応力が作用している場合、光弾性により偏光の位相が変化し、この変化の生じた楕円偏光を通過させて、複屈折の変化量を含む直線偏光に変換する。
【００５０】
回転ユニット１２は、光源１側から順にλ／４波長板２２、ＧＬＰ２３、および光弾性変調器２４から構成されており、回転駆動機構２５により光軸周りに回転するように構成されている。なお、回転駆動機構２５は、本発明の回転手段に相当する。
【００５１】
λ／４波長板２２は、光源１側からの入射光と下流側のＧＬＰ２３で分離出力される２つの直線偏光のうち初期光路光路を戻る偏光を透過させる。つまり、上流側からの円偏光を透過させ、さらに４５°回転させて直線偏光に戻す。また、測定対象物Ｗからの反射光である楕円偏光をその内部に通過させることにより、その垂直成分をさらに４５°傾け、円偏光にする。
【００５２】
ＧＬＰ２３は、光源１側から到達した直線偏光を全透過させて下流側の光弾性変調器２４に向かわせる。また、ＧＬＰ２３は、測定対象物Ｗから反射して戻る偏光を透過させたとき、入射時と同じ偏光面を有する直線偏光（垂直成分である第１偏光Ａ）を初期光路に戻し、測定対象物Ｗを透過する過程で測定対象物Ｗに作用している応力の影響を受けて偏光状態が変化した成分（水平成分の第２偏光B）のみを抽出し、第１偏光Ａとは異なる方向、つまり側面側から出力する。なお、ＧＬＰ２３は、本発明の分離手段に相当する。
【００５３】
光弾性変調器２４は、測定対象物Ｗに向う直線偏光を楕円偏光にする。また、測定対象物Ｗから反射し、測定対象物Ｗに作用している応力の影響で楕円偏光の向きが、光軸回りに微少に回転した楕円偏光をそのまま全透過させる。
【００５４】
したがって、測定対象物Ｗに作用している応力の影響を受けた第２偏光Ｂの光強度の検出信号Ｉｓは、初期光の光強度の信号に比べて微小である。このような場合、外乱の影響で発生するノイズ成分が加わり第２偏光Ｂの検出信号Ｉｓを精度よく求めることができない。そこで、光弾性変調器２４を用いて試料の複屈折量を変調し、その第２偏光Ｂの検出信号Ｉｓをロックインアンプ３７に入力させることにより、第２偏光Ｂの検出信号Ｉｓの検出精度を向上させることができる。
【００５５】
対物レンズ１３は、可動台１４に装着されている。すなわち、可動台１４の前後移動に連動して光学系ユニット５から測定対象物Ｗに向かわせる楕円偏光の焦点位置を変位可能に構成されている。
【００５６】
載置台６は、図１に示すように、載置保持した測定対象物Ｗを図中Ｘ、Ｙ方向に水平移動できるよう構成されている。すなわち、載置台６は、測定対象物Ｗを平面保持し、モータなどの駆動機構を介してガイドレール２６に沿って水平移動するＹ軸移動テーブル２７と、同じくモータなどの駆動機構を介してガイドレール２８に沿ってＸ軸方向に水平移動するＸ軸移動テーブル２９とから構成されている。なお、Ｙ軸移動テーブル２７およびＸ軸移動テーブル２９は、本発明の平行移動手段に相当する。
【００５７】
図２に戻り、第２偏光検出部１５は、反射ミラー３０、レンズ３１、ピンホール３２の形成された板状物３３、および第１フォトダイオード３４から構成されている。つまり、ＧＬＰ２３から出力された第２偏光Ｂは、反射ミラー３０で反射され、レンズ３１により焦点となるピンホール３２を通過した後に、第１フォトダイオード３４で受光されるように構成されている。
【００５８】
第１フォトダイオード３４は、受光した光強度を検出信号Ｉｓに変換して制御ユニット３６に送信する。なお、第２偏光検出部１５は、本発明の第１検出手段に相当する。
【００５９】
次に、第１偏光検出部７に戻り、第２非偏光ビームスプリッタ１７は、無極性のものであり、光を直進方向と直交方向に２分する。つまり、第１非偏光ビームスプリッタ１６から到達した光を分岐する。各々の光を第１偏フォトダイオード２１と平行度検出器３５に向せる。
【００６０】
レンズ１８は、第２非偏光ビームスプリッタ１７から到達した直線偏光を集光して板状物２０に形成されたピンホール１９を通過するように焦点が合わされている。
【００６１】
第２フォトダイオード２１は、ピンホール１９を通過した第１偏光Ａを受光して、光強度の検出信号Ｉｒに変換して制御ユニット３６に送信する。
【００６２】
平行度検出部３５は、反射光の光路ズレを検出している。図３に示すように、平行度検出部３５は、４個のフォトダイオード３５ａ−３５ｄが２次元アレー状に隣接配備されており、第２非偏光ビームスプリッタ１７から到達する直線偏光の光軸が互いに隣接し合う中心点Ｃに位置し、４個のフォトダイオード３５ａ−３５ｄにまたがって均等に受光されるようになっている。各フォトダイオード３５ａ−３５ｄで受光した直線偏光を光強度の検出信号に変換して制御ユニット３６に送信する。なお、平行度検出部３５は、本発明の検出手段に相当する。
【００６３】
制御ユニット３６は、図４に示すように、ロックインアンプ３７、演算処理部３８、および駆動制御部３９を含むとともに、外部に操作部４０が接続されている。以下、各構成について具体的に説明する。
【００６４】
ロックインアンプ３７は、ノイズ除去として機能している。つまり、測定対象物Ｗからの反射光を光弾性変調器２４に入射させ、反射光の偏光成分の光強度を予め決めた周波数で変調された周波数が参照信号として周波数発生器４１からロックインアンプ３７に入力されるとともに、第１フォトダイオード３４からの第２偏光Ｂの検出信号Ｉｓがロックインアンプ３７に入力される。このとき、第２偏光Ｂの検出信号Ｉｓから上記周波数と同じ周波数成分のみが抽出されるようになっている。
【００６５】
演算処理部３８は、主として２通りの処理を行っている。第１の処理として、載置台６に保持された測定対象物Ｗの反りなどの影響によって、焦点面から反射して戻る偏光が、第１偏光検出部７の第２フォトダイオード２１および第２偏光検出部１５の第１フォトダイオード３３で受光されるように光路のズレの補正量を算出する。第２の処理として、測定対象物Ｗの所定のガラス基板Ｗ１またはＷ２に作用している応力によって発生する複屈折の変化量、光弾性係数、およびガラス基板の厚みのうちの未知パラメータ、並びに所定のガラス基板に作用する主応力の差とその方向、およびオフセット値を求める。これら具体的な処理については、動作説明で詳述する。なお、演算処理部３８は、本発明の演算手段に相当する。
【００６６】
駆動制御部３９は、操作部４０によって設定された条件に基づく駆動信号を各光学ヘッド４Ａ−４Ｃの回転駆動機構２５や図示しないアクチュエータに送信する。つまり、駆動制御物３８は、回転駆動機構２５が光源１からの初期光の光軸回りに回転ユニット１２を任意の回転角度に回転移動するように制御する。また、駆動制御部３９は、載置台６をＸＹ平面上でそれぞれの方向に任意の速度で移動させる。
【００６７】
これら各構成を含む制御ユニット３６は、上記の処理以外に初期の設定条件に基づいて各駆動機構などの動作を制御する。
【００６８】
周波数発生器４１は、操作部４０から設定された周波数情報を制御ユニット３６を介して受信し、この受信信号に基づいて光弾性変調器２４に所定の電圧を印加するとともに、光弾性変調器２４に入射させた反射光の偏光成分の光強度を予め決めた周波数で変調された周波数を参照信号としてロックインアンプ３７に送信する。
【００６９】
次に、上記実施例装置を用いて、測定対象物Ｗの各ガラス基板Ｗ１，Ｗ２に作用する主応力の差と主応力の差の作用している方向を測定する一巡の動作および処理について、図５に示すフローチャートに沿って説明する。なお、測定対象物Ｗを構成するガラス基板Ｗ１，Ｗ２の両方に応力が作用している場合を例にとって説明する。
【００７０】
オペレータは、操作部４０を操作して測定対象物Ｗの総厚み、各光学ヘッド４Ａ−４Ｃの設置角度と各移動テーブル２６，２８の移動速度、測定対象である主応力の差、主応力の差の作用する方向、直線偏向の回転角を求めるためのモデル式などの測定条件を設定入力する（ステップＳ１）。なお、この実施例の場合、各光学ヘッド４Ａ−４Ｃは、第１光学ヘッド４Ａを基準として０°に設定し、この基準に対して第２光学ヘッド４Ｂを４５°、第３光学ヘッド４Ｃを９０°に設定する。
【００７１】
条件設定が完了すると、載置台６に測定対象物Ｗが載置保持されるとともに、各駆動機構が作動されて測定開始できる状態となる。この時点で可動台１４が所定位置に移動して停止し、その位置で第１光学ヘッド４Ａによるテスト照射が実行される。（ステップＳ２）。このとき、可動台１４を昇降させながらテスト照射が実行される。
【００７２】
光路ズレは、次のようにして行われる。光源１から測定対象物Ｗに向けて直線偏光が照射され、反射して戻る第１偏光Ａを平行度検出器３５で受光し、各フォトダイオード３５ａ−３５ｄの光強度の検出信号を制御ユニット３６の演算処理部３８に送信する。
【００７３】
演算処理部３８は、各フォトダイオード３５ａ−３５ｄが受光したそれぞれの光の強度値と各フォトダイオード３５ａ−３５ｄが受光した光の全量から求めた強度値の平均を比較し、求まる偏差に基づいて光源１から測定対象物Ｗまでの光路ズレの有無を判断する（ステップＳ３）。
【００７４】
光路ズレが確認できた場合、演算処理部３８は、測定対象物Ｗの反りなどの影響で起こる煽りを補正するための補正量を求めて信号変換する（ステップＳ４）。この補正信号に基づいて、駆動制御部３９は、アクチュエータを作動させて載置台６の傾きを補正し、反射光が各フォトダイオード３５ａ−３５ｄに均等に照射させるようにする（ステップＳ５）。
【００７５】
光路ズレの傾き補正処理が完了すると、再び可動台１４を昇降させてテスト照射を行う。この時点で光路ズレが解消されていれば、その測定結果から測定対象となるガラス基板Ｗ１とガラス基板Ｗ２の裏面の焦点位置を検出する（ステップＳ６）。光路ズレが解消されていなければ、ステップＳ２からの補正処理が繰り返し行われる。
【００７６】
測定条件の取得が完了すると、測定開始状態へと移行する。つまり、図６（ａ）に示すように、Ｙ軸移動テーブル２７の図中右上角部が第１光学ヘッド４Ａの下方へと移動させられる。すなわち、駆動制御部３９がＹ軸移動テーブル２７およびＸ軸移動テーブル２９の駆動機構の動作を制御して、Ｙ軸移動テーブル２７を測定開始位置に移動させる。
【００７７】
同時に、取得済みの複数個の焦点から、先ずガラス基板Ｗ１の裏面が焦点となるように、光学ヘッド４Ａ−４Ｃの可動台１４が移動される（ステップＳ７）。
【００７８】
測定開始状態が整うと、測定を開始する（ステップＳ８）。光源１から光が照射されると、図６（ｂ）に示すように、Ｙ軸移動テーブル２７が右側に移動してゆく。このとき、先ず第１ミラー２Ａで反射された光が直線偏光板３を透過して第１光学ヘッド４Ａに入射する。この直線偏光は、測定対象物Ｗの右上角部側に光が照射される。つまり、直線偏光は、光学ヘッド４Ａを透過する過程で光弾性変調器２４により楕円偏光に変換され、測定対象物Ｗに到達する。
【００７９】
測定対象物Ｗから反射して戻る反射光は、入射光と同一航路を通り光学ヘッド４Ａへと戻る。反射光が光学ヘッド４Ａと透過する過程で、先ず光弾性変調器２４で変調されつつ、測定対象物Ｗに作用している応力の影響で楕円偏光の向きが、光軸周りに微小に回転した楕円偏光をそのまま全透過させる。
【００８０】
光弾性変調器２４を透過した楕円偏光は、ＧＬＰ２３を透過する。このとき、ＧＬＰ２３は。光源１からの入射光と同じ偏光面を有する第１偏光Ａを光源１側の初期光路に戻すとともに、測定対象物Ｗに作用している応力の影響を受けた第２偏光Ｂを分離して側面から第２偏光検出部１５に向けて出力する。
【００８１】
ＧＬＰ２３から出力される第１偏光Ａは、第１偏光検出部７に戻る過程で各光学部材を通過することにより、直線偏光に戻される。
【００８２】
各偏光検出部７、１５に到達した第１偏光Ａと第２偏光Ｂは、第１および第２フォトダイオード３４、２１で受光される。ここで、第１フォトダイオード３４で検出された第２偏光Ｂの光強度の変化が、検出信号Ｉｓにリアルタイムに変化されるとともに、この検出信号Ｉｓと参照信号が制御ユニット３６のロックインアンプ３７に送信される。第２フォトダイオード２１で受光された第１偏光Ａの光強度の変化が、検出信号Ｉｒにリアルタイムに変化されて制御ユニット３６の演算処理部３８に送信される。
【００８３】
ロックインアンプ３７は、第２偏光Ｂの検出信号Ｉｓから参照信号と同じ周波数成分のみを演算処理部３８に送信する。
【００８４】
このとき、ガラス基板Ｗ１，Ｗ２に応力が作用している場合、各焦点面で反射して戻る反射光に第２偏光Ｂが含まれている。つまり、図７に示すように、ガラス基板１の表面と空気層との接触界面（焦点面Ｐ１）で反射して戻る反射光Ｒ１、ガラス基板Ｗ１とガラス基板Ｗ２との微小間隙の空気層とガラス基板Ｗ１の裏面との接触界面（焦点面Ｐ２）で反射して戻る反射光Ｒ２、空気層とガラス基板Ｗ２の表面との接触界面（焦点面Ｐ３）で反射して戻る反射光Ｒ３、およびガラス基板Ｗ２と載置台６との接触界面（焦点面Ｐ４）で反射して戻る反射光Ｒ４のそれぞれに、第２偏光Ｂの光強度の検出信号Ｉｓの成分が含まれている。
【００８５】
各焦点面Ｐ１〜Ｐ４で反射して戻る反射光は、初期光と同一光路に戻され、再びＧＬＰ２３を透過される。このとき、応力の影響を受けて生じた第２偏光Ｂと影響のない第１偏光Ａに分離される。分離された第１偏光Ａは、ピンホール１９を通過することによって焦点からの偏光のみを通過させ上流側の第２フォトダイオード２１で受光される。第２偏光Ｂは、第１偏光Ａとは別光路に出力され、反射ミラー３０で反射され、ピンホール３２を通過して焦点から戻る偏光のみが第１フォトダイオード３４に向かう。第１フォトダイオード３４で受光された各焦点面Ｐ１−Ｐ４から反射して戻る第２偏光Ｂの光強度は、図８に示すように、３つのピークとして現れる。
【００８６】
この実施例では焦点面Ｐ１−Ｐ４の４箇所あるので４つのピークが発生するはずであるが、３つのピークとなって現れる。この現象は、本光学系の焦点深度から、空気層の前後のガラス面で反射する光で干渉が生じて焦点面Ｐ２およびＰ３で反射して戻る反射光Ｒ２およびＲ３が合成されたものとなっていることが新たな知見として得られた。この図８で示す実線が、検出対象の光弾性信号であり、破線が測定対象物Ｗで反射して戻る反射光の信号である。
【００８７】
したがって、演算処理部３８は、先ず、これら第１および第２フォトダイオード３４、２１からの検出信号のうち焦点面Ｐ２、Ｐ３で反射して戻る合成された反射光に含まれる検出信号と焦点面Ｐ２で反射して戻る検出信号を抽出し、両検出信号Ｉｓの値を補正する。つまり、ロックインアンプ３７から送信された第２偏光Ｂの検出信号Ｉｓを第１偏光Ａの検出信号Ｉｒで除算したＩｓ／Ｉｒで補正する。そして、この補正後の光強度値、測定時の光学ヘッド４Ａの回転ユニット１２の設定角度、および、Ｙ軸移動テーブル２７およびＸ軸移動テーブル２９の位置情報を関連付けて記憶しておく。なお、この位置情報は、例えば両テーブル２７、２８を移動させるモータなど駆動機構の回転角をエンコーダなどのセンサでパルス信号として取得する。
【００８８】
第１光学ヘッド４Ａでの測定が完了すると、Ｙ軸方向に整列配備された第２光学ヘッド４Ｂ、第３光学ヘッド４Ｃにより、第１光学ヘッド４Ａと同じ焦点位置の測定が順番に実行される（ステップＳ８,Ｓ９,Ｓ１０）。
【００８９】
各光学ヘッド４Ａ−４Ｃによる同一焦点Ｐ２の測定が完了すると、演算処理部３８は、ガラス基板Ｗ１に作用している各主応力の差とその方向、直線偏向の回転角θ、および、オフセット値を測定結果とモデル式φsin(2(α−θ))＋Ｃを利用して求める（ステップＳ９）。
【００９０】
具体的に、演算処理部３８は、記憶した位置情報から同一焦点の情報を抽出する。そして、３つの光強度値と各光学ヘッド４Ａ−４Ｃの設置角度を利用し、前面ガラス基板Ｗ１の複屈折の変化量It(k)を以下に示すモデル式を利用して求める。
【００９１】
It(k)＝K(4Φ2 ＋ 2ρΦsin(2(α−θk))) … （１）
【００９２】
ただし、2枚のガラス基板の複屈折量は極僅か(ρ<0.01rad)の場合を想定しており、その２乗の項は省略する。
【００９３】
ここで、ｋは光学ヘッド４Ａ−４Ｃの識別記号でありk=１，２，３とし、ｔは時間、ρはガラス基板Ｗ１の複屈折量、αは主応力差の方向、θkは複屈折の方向と大きさを検出するためにガラス基板Ｗ１に対する光学ヘッドkの直線偏光の回転角、Φは光弾性変調器２４による変調量の振幅の半分、Ｃは信号のオフセット値、Kは光源１の強度に関する値である。時間tは同一点を異なる時刻に各光学ヘッド４Ａ−４Ｃで測定することを意味する。
【００９４】
そして、図４に示すように、検出信号Ｉｓをロックインアンプ３７に通すことにより、前面ガラス基板Ｗ１の複屈折の変化量は、次式（２）の１次式で表すことができる。
【００９５】
It(k)＝2KΦ[ρsin(2(α−θk)) ] … （２）
【００９６】
すなわち、交流成分である複屈折の情報を含むρとαの信号成分のみが抽出される。そして、式（２）は、図９に示すように、回転角θkを連続変数とみなしたとき、正弦波（以下、適宜に「１次―正弦波」という）として求めることができる。ただし、式（２）で求まるｓｉｎカーブにおいて、実際の光学ヘッドではゼロレベルがずれる場合がある。したがって、上記（２）においてゼロレベルのずれ量をオフセットとして考慮すると、次式（３）によって表すことができる。
【００９７】
It(k)＝φsin(2(α−θk))＋Ｃ … （３）
【００９８】
なお、当該式のＣは、オフセット量である。当該オフセット量は、レンズなどの光学系の残留複屈折から生じ、式（３）のモデルは、図９に示すゼロレベルのずれた１次―正弦波となる。この振幅Ｖを主応力の差として求めることができる。また、主応力差の方向は、このsinカーブがオフセット値Ｃと交差する角度αとして特定できる。この角度は複屈折が最大および最小となる角度から±４５°の位置である。
【００９９】
さらに、本実施例では同一試料を用いて作用する弾性応力の状態、すなわち、引っ張り状態と圧縮状態をキャリブレーションして予め求めておく。例えば、図９および１０に示す位相が反転した回転角の２倍を変数とする２つの１次―正弦波が得られる。これら両１次―正弦波を基準モデルとして記憶しておき、測定対象であるガラス基板から得られる１次―正弦波と基準モデルとのαでの傾きを比較することにより、ガラス基板に作用している弾性応力が引っ張りであるか、それとも圧縮であるかを特定する。
【０１００】
上述のように、ガラス基板Ｗ１の所定の１点での処理が完了する。同様にＹ軸に沿って測定対象物Ｗが、図６（ｃ）に示すように、図中左他端に達するまでに連続または所定のサンプリングピッチで測定処理が繰り返し実行される。
【０１０１】
測定対象物Ｗが測定終端位置に達すると、駆動制御部３９は、図６（ｄ）に示すようにＸ軸移動テーブル２９を所定ピッチで水平移動させ、その後にＹ軸移動テーブル２７を反転移動させる。この間においてもガラス基板Ｗ１に対する測定が繰り返し行われる。
【０１０２】
ガラス基板Ｗ１の全面において測定が完了すると、駆動制御部３９は、各光学ヘッド４Ａ−４Ｃの可動台１４を作動させガラス基板Ｗ２の裏面焦点に位置合せを行う（ステップＳ１０）。
【０１０３】
各光学ヘッド４Ａ−４Ｃの焦点の位置合せが完了すると、駆動制御部３９は、ガラス基板Ｗ１の測定時の往路を測定光が通るように、Ｙ軸移動テーブル２７とＸ軸移動テーブル２９の動作を制御してガラス基板Ｗ２の測定を開始する。この移動の間に上述のステップＳ８−Ｓ１１の処理を繰り返し実行し、ガラス基板Ｗ２の裏面焦点からの反射光を検出し、ガラス基板Ｗ２に作用している主応力の差とその方向、およびオフセット値を求める。
【０１０４】
ガラス基板２の測定時において、制御ユニット３６は、測定対象物Ｗが終端位置を判断しつつ（ステップＳ１２）、終端位置に達した時点で測定対象である最終層のガラス基板Ｗ２であることが確認する（ステップＳ１３）。ここで終端位置、かつ、ガラス基板Ｗ２であることが確認されると全測定処理が完了する。
【０１０５】
上述の構成を有する光弾性測定装置によれば、ガラス基板Ｗ１，Ｗ２に作用している応力の影響で偏光状態が変化して生じた垂直成分の第２偏光ＢのみをＧＬＰ２３で分離して取り出すことができる。このＧＬＰ２３で分離した第２偏光Ｂを、さらにピンホール３２を通過させることにより、ガラス基板Ｗ１の裏面（焦点面Ｐ２とガラス基板Ｗ２の表面（焦点面Ｐ３）から反射して戻るガラス基板Ｗ１の応力の影響を受けた第２偏光Ｂと、ガラス基板Ｗ２の裏面（焦点面Ｐ４）から反射して戻るガラス基板Ｗ２の応力の影響を受けた第２偏光Ｂのみを抽出することができる。換言すれば、共焦点を利用することにより、任意のガラス基板（層）に作用している応力の影響を受けた第２偏光のみを測定できる。
【０１０６】
また、所定のガラス基板Ｗ１，Ｗ２の裏面に各光学ヘッド４Ａ−４Ｃの焦点を合せた状態で、光学系ユニット５と測定対象物Ｗを相対的に水平移動させることにより、異なる偏光角の偏光が同一焦点に瞬時に照射される。したがって、測定処理を高速にすることができる。
【０１０７】
また、平行度検出器３５を利用することにより、測定光の光路ズレを補正することができ、第１偏光Ａおよび第２偏光Ｂを第１および第２フォトダイオード３４、２１で精度よく受光できる。
【０１０８】
さらに、複屈折量が既知の光弾性変調器２４を回転ユニット１２に介在させておくことにより、第２偏光Ｂの検出信号が微小であっても増幅させ、ロックインアンプ３７を用いることにより、ガラス基板Ｗ１，Ｗ２に作用している微小な応力を精度よく測定することができる。
【０１０９】
なお、本発明は上述した実施例に限らず、次のように変形実施することができる。
【０１１０】
（１）上記実施例装置では、測定移動方向に沿って３台の光学ヘッド４Ａ−４Ｃを１列に整列配備していたが、この形態に限定されるものではなく、３台以上であってもよいし、３台以上の光学ヘッドを２次元アレー状に配備した構成であってもよい。
【０１１１】
（２）上記実施例装置では、測定前に所定の位置で焦点位置をスキャニングして取得していたが、次にように実施してもよい。
【０１１２】
例えば、１次元または多次元ラインセンサなどで測定対象物Ｗの表面全体の高さの変動を予め測定し、マッピングデータを作成して制御ユニット３６に記憶しておく。測定開始と同時に駆動制御部３９がマッピングデータを参照し、各光学ヘッド４Ａ−４Ｃの可動台１４の昇降移動を調整しながら対物レンズ１３から測定対象物Ｗの表面までの距離を一定に保つように制御する。すなわち、測定対象物Ｗの表面高さのバラつきに関わらず、測定対象である焦点位置が常に各光学ヘッド４Ａ−４Ｃで検出されるように構成する。
【０１１３】
別例として、測定方向の先頭に配備される光学ヘッド４Ａおよび／または４Ｃの前方にレーザセンサや光学センサを配備し、光学ヘッドが通る直前に測定対象物Ｗの表面高さを測定し、この測定結果に基づいて駆動制御部３９が各光学ヘッドの可動台１４の昇降を調整し、測定対象である焦点位置が常に一定に検出されるように構成してもよい。
【０１１４】
（３）上記実施例装置において、実測により求める１次―正弦波には、少なからずノイズ成分が含まれている。そこで、上記式（３）を利用して得られたデータに最小２乗方法を適用することにより、ノイズ成分を除去するよう構成してもよい。この構成によれば、主応力の差とその方向、並びにオフセット量の測定精度をさらに向上させることができる。
【０１１５】
（４）上記各実施例では、２枚のガラス基板Ｗ１，Ｗ２を間隙おいて配備した測定対象物Ｗを利用したが、測定対象物Ｗはこの形態に限定されるものではなく、間隙をなくし複数枚の透過性を有する測定対象物を密着させて積層したものであってもよい。例えば、ガラス基板同士、ガラス基板とフィルムなどのように屈折率の異なる測定対象物の組合せなどがある。
【０１１６】
（５）上記各実施例では、測定対象物Ｗの平行度が保たれている場合には第２非偏光ビームスプリッタ１７および平行度検出器３５を省いた構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】実施例装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】光学ユニット内の光学ヘッドの構成を示すブロック図である。
【図３】平行度検出部による偏光の受光状態を示す平面図である。
【図４】実施例装置の概略構成を示すブロック図である。
【図５】主応力の差とその方向を測定する一巡の処理および動作を示すフローチャートである。
【図６】実施例装置の動作を説明する図である。
【図７】測定対象物の各焦点面で反射する反射光の状態を示す図である。
【図８】第２偏光の光強度の検出状態を示す図である。
【図９】ロックインアンプにより得られる弾性信号の出力図である。
【図１０】ガラス基板に作用している弾性応力の状態を示す比較図である。
【符号の説明】
【０１１８】
１ … 光源
２ … ミラー
３ … 直線偏光板
４ … 光学ヘッド
５ … 光学ユニット
６ … 載置台
７ … 第１偏光検部
８ … ファラデーローテータ
９ … 直線偏光板
１０ … λ／２波長板
１１ … λ／４波長板
１２ … 回転ユニット
１３ … 対物レンズ
１４ … 可動台
１５ … 第２偏光検出部
２１ … 第２フォトダイオード
２３ … ＧＬＰ
２４ … 光弾性変調器
２７ … Ｙ軸移動テーブル
２９ … Ｘ軸移動テーブル
３４ … 第1フォトダイオード
３５ … 平行度検出器
３６ … 制御ユニット
３７ … ロックインアンプ
３８ … 演算処理部
３９ … 駆動制御部
４０ … 操作部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数層からなる透過性を有する測定対象物の各層に作用する主応力の差、主応力の差の作用する方向、およびオフセット値の少なくとも主応力の差、主応力の差の作用する方向を測定する光弾性測定方法であって、
照射手段からの照射光を光学手段を介して直線偏光にし、
レンズを介して前記測定対象物に直線偏光を照射しながら、レンズと測定対象物を光軸方向に沿って相対的に前後移動させて層同士が接触する複数の接触界面のうち所定の接触界面に焦点を合せ、
前記測定対象物から反射して戻る反射光を光学手段に透過させて初期の光路を戻る第１偏光と、当該第１偏光と直交する第２偏光を別光路に分離して出力し、
分離された前記第２偏光のうち焦点面から反射して戻る偏光のみをピンホールに通過させて検出する光学ヘッドを少なくとも３台備え、
前記各光学ヘッドから測定対象物に照射される直線偏光が、それぞれ異なる入射角となるように整列配備した状態で、当該光学ヘッドと測定対象物を相対的に平行移動させつつ、各光学ヘッドから照射されて所定層の同一の接触界面から反射して戻る偏光を当該光学ヘッドごとに検出し、
検出された前記各偏光の少なくとも3つの異なる角度θでの光強度の変化量に基づいて、主応力の差φ、主応力差の作用する方向α、および、オフセット値Ｃをφsin(2(α−θ))＋Ｃからなるモデル式から求める、
ことを特徴とする光弾性測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の光弾性測定方法において、
分離されて初期の光路を戻る第１偏光のうち前記焦点面から反射して戻る偏光のみをピンホールに通過させて検出し、
当該第１偏光と前記第２偏光の両光強度の変化量を求め、この変化量に応じて実測により求まる第２偏光から検出した偏光の光強度を補正する
ことを特徴とする光弾性測定方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光弾性測定方法において、
前記照射手段は、単一の光源からなり、当該照射手段からの照射光を光学ヘッドに均等に分光する
ことを特徴とする光弾性測定方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光弾性測定方法において、
前記測定対象物の表面高さを検出し、
当該検出結果と予め決めた基準値とを比較し、求まる偏差に応じて前記光学ヘッドの高さを調整する
ことを特徴とする光弾性測定方法。
【請求項５】
複数層からなる透過性を有する測定対象物の各層に作用する主応力の差、主応力の差の方向、およびオフセット値の少なくとも主応力の差、主応力の差の作用する方向を測定する光弾性測定装置であって、
前記測定対象物に向けて光を照射する照射手段と、
前記照射手段からの光を透過させて直交する２方向の偏光成分からなる直線偏光にする第１光学手段と、
前記直線偏光を透過させて前記測定対象物の所定層の界面に焦点を合せるレンズと、
前記測定対象物の焦点面から反射して戻る偏光のうち初期の光路を戻る第１偏光と、この第１偏光と直交する第２偏光を別光路に分離して出力する分離手段と、
分離された前記第２偏光のうち前記焦点面から反射して戻る偏光のみを通過させるピンホールの形成された部材と、
前記ピンホールを通過した第２偏光の光強度を検出する第１検出手段とを備えた光学ヘッドと、
少なくとも３台の前記光学ヘッドを備え、当該各光学ヘッドから測定対象物に照射される直線偏光が、それぞれ異なる入射角となるように整列配備された光学ユニットと、
前記測定対象物を保持する保持手段と、
前記光学ヘッドのレンズと保持手段を偏光の光軸方向に沿って相対的に前後に移動させる前後移動手段と、
前記保持手段と光学ユニットを相対的に平行移動させる平行移動手段と、
前記光学ユニットと測定対象物を相対的に平行移動させつつ、各光学ヘッドから照射されて所定層の同一箇所から反射して戻る偏光を各光学ヘッドの第１検出手段ごとに検出し、当該各偏光の光強度の変化量と検出角度の位置情報に基づいて、主応力の差φ、主応力の差の方向α、および、オフセット値Ｃをφsin(2(α−θ))＋Ｃからなるモデル式により求める演算手段と、
を備えたことを特徴とする光弾性測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の光弾性測定装置において、
前記分離手段で分離された第１偏光のうち前記焦点面から反射して戻る偏光のみを通過させるピンホールの形成された部材と、
前記ピンホールを通過した偏光の光強度検出する第２検出手段とを備え、
前記演算手段は、前記第１検出手段により検出された偏光の光強度を用いて前記第２検出手段により検出された偏光の光強度を除算する
ことを特徴とする光弾性測定装置。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載の光弾性測定装置において、
前記測定対象物からの反射光を入力させ、その光強度を予め決めた周波数に変調する光弾性変調器と、
変調されてピンホールを通過した第２偏光を入力させて予め決められた前記周波数成分の実測情報を抽出するロックインアンプとを備え、
前記演算手段は、前記測定対象物と同じ試料を用いて当該試料に圧縮および引っ張り応力を作用させたときの各主応力の差を直線偏光の向きを変数とする正弦波として予め基準情報を取得しておき、当該基準情報と実測情報とを比較し、測定対象物に作用している主応力の差の状態を特定する
ことを特徴とする光弾性測定装置。
【請求項８】
請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の光弾性測定装置において、
前記分離手段で分離された第１偏光をピンホールに向う偏光と他の方向に向う偏光に分離する第１偏光分離手段と、前記第１偏光分離手段で他の方向に分離された偏光を検出する複数個の受光素子を２次元アレー状に配備して構成した検出手段と、
前記保持手段を傾斜させる駆動手段と、前記検出手段によって検出された偏光の位置に応じて保持手段に保持された測定対象物の傾斜量が前記演算手段により求められ、この傾斜量にしたがって前記駆動手段を作動させて前記保持手段の平行度を維持させる駆動制御手段と、
を備えたことを特徴とする光弾性測定装置。
【請求項９】
請求項５ないし請求項８のいずれかに記載の光弾性測定装置において、
前記測定対象物の表面高さを検出する高さ検出手段と、
前記演算手段により表面高さの検出結果と予め決めた基準値を比較し、求まる偏差に応じて前記光学ヘッドの高さを調整するよう前後移動手段の作動を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする光弾性測定装置。
【請求項１】
複数層からなる透過性を有する測定対象物の各層に作用する主応力の差、主応力の差の作用する方向、およびオフセット値の少なくとも主応力の差、主応力の差の作用する方向を測定する光弾性測定方法であって、
照射手段からの照射光を光学手段を介して直線偏光にし、
レンズを介して前記測定対象物に直線偏光を照射しながら、レンズと測定対象物を光軸方向に沿って相対的に前後移動させて層同士が接触する複数の接触界面のうち所定の接触界面に焦点を合せ、
前記測定対象物から反射して戻る反射光を光学手段に透過させて初期の光路を戻る第１偏光と、当該第１偏光と直交する第２偏光を別光路に分離して出力し、
分離された前記第２偏光のうち焦点面から反射して戻る偏光のみをピンホールに通過させて検出する光学ヘッドを少なくとも３台備え、
前記各光学ヘッドから測定対象物に照射される直線偏光が、それぞれ異なる入射角となるように整列配備した状態で、当該光学ヘッドと測定対象物を相対的に平行移動させつつ、各光学ヘッドから照射されて所定層の同一の接触界面から反射して戻る偏光を当該光学ヘッドごとに検出し、
検出された前記各偏光の少なくとも3つの異なる角度θでの光強度の変化量に基づいて、主応力の差φ、主応力差の作用する方向α、および、オフセット値Ｃをφsin(2(α−θ))＋Ｃからなるモデル式から求める、
ことを特徴とする光弾性測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の光弾性測定方法において、
分離されて初期の光路を戻る第１偏光のうち前記焦点面から反射して戻る偏光のみをピンホールに通過させて検出し、
当該第１偏光と前記第２偏光の両光強度の変化量を求め、この変化量に応じて実測により求まる第２偏光から検出した偏光の光強度を補正する
ことを特徴とする光弾性測定方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光弾性測定方法において、
前記照射手段は、単一の光源からなり、当該照射手段からの照射光を光学ヘッドに均等に分光する
ことを特徴とする光弾性測定方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光弾性測定方法において、
前記測定対象物の表面高さを検出し、
当該検出結果と予め決めた基準値とを比較し、求まる偏差に応じて前記光学ヘッドの高さを調整する
ことを特徴とする光弾性測定方法。
【請求項５】
複数層からなる透過性を有する測定対象物の各層に作用する主応力の差、主応力の差の方向、およびオフセット値の少なくとも主応力の差、主応力の差の作用する方向を測定する光弾性測定装置であって、
前記測定対象物に向けて光を照射する照射手段と、
前記照射手段からの光を透過させて直交する２方向の偏光成分からなる直線偏光にする第１光学手段と、
前記直線偏光を透過させて前記測定対象物の所定層の界面に焦点を合せるレンズと、
前記測定対象物の焦点面から反射して戻る偏光のうち初期の光路を戻る第１偏光と、この第１偏光と直交する第２偏光を別光路に分離して出力する分離手段と、
分離された前記第２偏光のうち前記焦点面から反射して戻る偏光のみを通過させるピンホールの形成された部材と、
前記ピンホールを通過した第２偏光の光強度を検出する第１検出手段とを備えた光学ヘッドと、
少なくとも３台の前記光学ヘッドを備え、当該各光学ヘッドから測定対象物に照射される直線偏光が、それぞれ異なる入射角となるように整列配備された光学ユニットと、
前記測定対象物を保持する保持手段と、
前記光学ヘッドのレンズと保持手段を偏光の光軸方向に沿って相対的に前後に移動させる前後移動手段と、
前記保持手段と光学ユニットを相対的に平行移動させる平行移動手段と、
前記光学ユニットと測定対象物を相対的に平行移動させつつ、各光学ヘッドから照射されて所定層の同一箇所から反射して戻る偏光を各光学ヘッドの第１検出手段ごとに検出し、当該各偏光の光強度の変化量と検出角度の位置情報に基づいて、主応力の差φ、主応力の差の方向α、および、オフセット値Ｃをφsin(2(α−θ))＋Ｃからなるモデル式により求める演算手段と、
を備えたことを特徴とする光弾性測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の光弾性測定装置において、
前記分離手段で分離された第１偏光のうち前記焦点面から反射して戻る偏光のみを通過させるピンホールの形成された部材と、
前記ピンホールを通過した偏光の光強度検出する第２検出手段とを備え、
前記演算手段は、前記第１検出手段により検出された偏光の光強度を用いて前記第２検出手段により検出された偏光の光強度を除算する
ことを特徴とする光弾性測定装置。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載の光弾性測定装置において、
前記測定対象物からの反射光を入力させ、その光強度を予め決めた周波数に変調する光弾性変調器と、
変調されてピンホールを通過した第２偏光を入力させて予め決められた前記周波数成分の実測情報を抽出するロックインアンプとを備え、
前記演算手段は、前記測定対象物と同じ試料を用いて当該試料に圧縮および引っ張り応力を作用させたときの各主応力の差を直線偏光の向きを変数とする正弦波として予め基準情報を取得しておき、当該基準情報と実測情報とを比較し、測定対象物に作用している主応力の差の状態を特定する
ことを特徴とする光弾性測定装置。
【請求項８】
請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の光弾性測定装置において、
前記分離手段で分離された第１偏光をピンホールに向う偏光と他の方向に向う偏光に分離する第１偏光分離手段と、前記第１偏光分離手段で他の方向に分離された偏光を検出する複数個の受光素子を２次元アレー状に配備して構成した検出手段と、
前記保持手段を傾斜させる駆動手段と、前記検出手段によって検出された偏光の位置に応じて保持手段に保持された測定対象物の傾斜量が前記演算手段により求められ、この傾斜量にしたがって前記駆動手段を作動させて前記保持手段の平行度を維持させる駆動制御手段と、
を備えたことを特徴とする光弾性測定装置。
【請求項９】
請求項５ないし請求項８のいずれかに記載の光弾性測定装置において、
前記測定対象物の表面高さを検出する高さ検出手段と、
前記演算手段により表面高さの検出結果と予め決めた基準値を比較し、求まる偏差に応じて前記光学ヘッドの高さを調整するよう前後移動手段の作動を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする光弾性測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−９１３３２（Ｐ２０１０−９１３３２Ａ）
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２５９８５９（Ｐ２００８−２５９８５９）
【出願日】平成２０年１０月６日（２００８．１０．６）
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【出願人】（０００２１９３１４）東レエンジニアリング株式会社 (505)
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月６日（２００８．１０．６）
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【出願人】（０００２１９３１４）東レエンジニアリング株式会社 (505)
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